KR101873679B1 - Mems 디바이스 및 mems 진공 마이크로폰 - Google Patents

Mems 디바이스 및 mems 진공 마이크로폰 Download PDF

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Abstract

실시예에 따르면, MEMS 디바이스는 제 1 멤브레인 요소와, 제 1 멤브레인 요소와 이격된 제 2 멤브레인 요소와, 제 1 및 제 2 멤브레인 요소 사이의 저압 구역 - 저압 구역은 주변 압력보다 적은 압력을 가짐 - 과, 적어도 부분적으로 저압 구역 내에 배열되거나 저압 구역 내에서 연장하는 전도성 층을 포함하는 대향 전극 구조체를 포함한다. 전도성 층은 전도성 층의 제 1 부분과 전도성 층의 제 2 부분 사이에 전기적인 분리를 제공하는 분할부를 포함한다.

Description

MEMS 디바이스 및 MEMS 진공 마이크로폰{MEMS DEVICE AND MEMS VACUUM MICROPHONE}
본 발명의 실시예는 마이크로전자기계 시스템(microelectromechanical system, MEMS) 디바이스에 관한 것이다. 일부 실시예는 MEMS 마이크로폰, MEMS 음향 변환기에 관한 것이다. 일부 실시예는 진공 마이크로폰 및/또는 진공 스피커에 관한 것이다.
압력 센서, 가속 센서, 마이크로폰 또는 확성기와 같은 변환기(예를 들어, 음향 변환기)를 설계할 때, 일반적으로 변환기 출력 신호의 높은 신호 대 잡음 비(signal-to-noise ratio, SNR)를 성취하는 것이 바람직할 수 있다. 변환기의 지속적인 소형화로 인해 원하는 높은 신호 대 잡음 비와 관련하여 새로운 도전이 제기될 수 있다. 예를 들어, 이동 전화, 랩톱 및 유사한 (이동 또는 고정) 디바이스에서 사용될 수 있는 마이크로폰 및 또한 어느 정도까지의 확성기는 오늘 날 반도체 (실리콘) 마이크로폰 또는 마이크로전자기계 시스템(microelectromechanical system, MEMS)으로 구현될 수 있다. 경쟁력을 확보하고 예상된 성능을 제공하기 위하여, 실리콘 마이크로폰은 마이크로폰 출력 신호의 높은 SNR이 필요할 수 있다. 그러나, 예로서 캐패시터 마이크로폰을 구성하면, 전형적으로 캐패시터 마이크로폰 구성 및 결과적인 기생 파라미터로 인해 SNR이 제한될 수 있다.
기생 캐패시턴스는 통상 멤브레인과 대향 전극(counter electrode) 사이의 캐패시턴스와 간섭을 일으키는 원하지 않는 캐패시턴스이다. 따라서, 멤브레인의 움직임에 응답하여 전기 신호로 전달되도록 의도된 캐패시턴스 값은 간섭을 받는다. 예를 들어, MEMS 디바이스가 이중 백플레이트 마이크로폰으로 구현되는 경우, 기생 캐패시턴스는 MEMS 디바이스에 영향을 미쳐서 전기 출력 신호가 가청음 입력 신호, 즉, 도달하는 음파를 충분히 정확하게 재생하지 못하게 할 수 있다.
본 발명의 실시예는 MEMS 디바이스를 제공하는 것으로, MEMS 디바이스는 제 1 멤브레인 요소와, 제 1 멤브레인 요소와 이격된 제 2 멤브레인 요소와, 제 1 및 제 2 멤브레인 요소 사이의 저압 구역 - 저압 구역은 주변 압력보다 적은 압력을 가짐 - 과, 적어도 부분적으로 저압 구역 내에 배열되거나 저압 구역 내에서 연장하는 전도성 층을 포함하는 대향 전극 구조체 - 전도성 층은 전도성 층의 제 1 부분과 전도성 층의 제 2 부분 사이에 전기적인 분리를 제공하는 분할부를 포함함 - 를 포함한다.
다른 실시예는 MEMS 디바이스를 제공하는 것으로, MEMS 디바이스는 제 1 멤브레인 요소와, 제 1 멤브레인 요소와 이격된 제 2 멤브레인 요소와, 제 1 및 제 2 멤브레인 요소 사이의 저압 구역 - 저압 구역은 주변 압력보다 적은 압력을 가짐 - 과, 적어도 부분적으로 저압 구역 내에 배열되거나 저압 구역 내에서 연장하는 제 1 전도성 층을 포함하는 대향 전극 구조체를 포함하되, 제 1 멤브레인 요소는 제 1 멤브레인 요소의 제 1 부분과 제 1 멤브레인 요소의 제 2 부분 사이에 전기적인 분리를 제공하는 분할부를 포함하며, 제 2 멤브레인 요소는 제 2 멤브레인 요소의 제 1 부분과 제 2 멤브레인 요소의 제 2 부분 사이에 전기적인 분리를 포함하는 제공하는 추가의 분할부를 포함한다.
본 발명의 실시예는 첨부 도면을 참조하여 기술된다.
도 1a 및 도 1b는 분할된 대향 전극 구조체(segmented counter electrode structure)를 포함하는 MEMS 마이크로폰의 개략적인 단면도 및 개략적인 평면도를 도시한다.
도 2a 내지 도 2e는 도 1a 및 도 1b의 MEMS 마이크로폰의 분할부 영역의 개략적인 부분 단면도를 도시한다.
도 3a 내지 도 3c는 상이한 작동 조건에서 분할된 대향 전극 구조체를 포함하는 진공 MEMS 마이크로폰(MEMS 확성기 또는 MEMS 음향 변환기)의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 두 개의 분할된 전도성 층을 갖는 대향 전극 구조체를 포함하는 진공 MEMS 마이크로폰(MEMS 확성기 또는 MEMS 음향 변환기)의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 5a 내지 도 5c는 도 4a 및 도 4b의 대향 전극 구조체의 단면도 및 분할된 제 1 및 제 2 전도성 층 사이의 결과적인 기생 캐패시턴스를 도시한다.
도 6a 내지 도 6c는 제 1 및 제 2 전도성 층 내의 측방향으로 간격이 벌어진 분할부 홈을 포함하는 분할된 대향 전극 구조체의 개략적인 평면도를 도시한다.
도 7a 내지 도 7d는 MEMS 디바이스의 판독 구성을 예시하는 개략적인 회로도를 도시한다.
도 8a 및 도 8b는 제 1 및 제 2 분할된 멤브레인 요소를 포함하는 진공 MEMS 마이크로폰(MEMS 확성기 또는 MEMS 음향 변환기)의 개략적인 단면도를 도시한다.
도면을 사용하여 본 발명을 더 상세하게 논의하기 전에, 도면과 명세서에서 동일한 요소 및 동일한 기능성 및/또는 동일한 기술 또는 물리적 효과를 갖는 요소는 통상 동일한 참조 부호를 부여받거나 동일한 명칭으로 식별되어, 여러 실시예에 예시된 바와 같은 이들 요소 및 그의 기능성에 관한 설명은 여러 실시예에서 상호 같은 의미를 갖거나 또는 서로 적용될 수 있다.
다음의 설명에서, 본 발명의 실시예는 상세하게 논의되지만, 본 발명은 매우 다양한 특정 MEMS 디바이스에서 구현될 수 있는 적용 가능한 많은 발명적 개념을 제공한다는 점을 인식하여야 한다. 논의되는 특정 실시예는 본 발명을 만들어 사용하는 특정한 방식을 그저 예시하는 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 제한하지 않는다. 다음과 같은 발명의 설명에서, 동일한 기능을 갖는 동일하거나 유사한 요소는 동일한 참조 부호 또는 동일한 명칭과 연관되었으며, 그와 같은 요소에 관한 설명은 모든 실시예마다 반복되지는 않을 것이다. 더욱이, 특별히 달리 언급하지 않는 한, 이하에서 기술되는 여러 실시예의 특징은 서로 조합될 수 있다.
이하에서, 실시예는 일반적으로 MEMS 디바이스의 맥락에서 실시예와 관련하여 기술될 것이며, 다음의 설명도 또한 (진공) 마이크로폰 또는 확성기, 압력 센서, 가속 센서, 액추에이터 등과 같은 임의의 MEMS 음향 변환기에 적용될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에서, 그의 움직임이 (예를 들어, 정지) 백플레이트 전극(또는 대향 전극)에 의해 용량적으로 검출되는 가동 가능한 구조체로서의 멤브레인(또는 다이어프램) 사이에 저압 구역을 가진 MEMS 디바이스, 예를 들어, 마이크로폰에서 기생 캐패시턴스가 감소되거나 없어진다.
일부 실시예에 따르면, 마이크로폰의 성능을 향상시키기 위하여 백플레이트 전극은 기생 캐패시턴스를 줄이려는 목적으로 분할된다. 보다 구체적으로, 마이크로폰의 신호 대 잡음 비(signal-to-noise ratio, SNR)는 계수
Figure 112017024161826-pat00001
만큼 줄어드는데, 여기서 C0는 마이크로폰의 유효 캐패시턴스이며 Cp는 마이크로폰의 기생 캐패시턴스이다. 그러므로 유효 캐패시턴스(C0)가 주어지면, 기생 캐패시턴스(Cp)가 감소됨으로써 결과적으로 계수(k)가 줄어들며, 이로 인하여 변환기 출력 신호의 SNR이 증가된다.
실시예에 따르면, 진공 마이크로폰과 같은 MEMS 마이크로폰의 기생 캐패시턴스는 감소되면서, 기계적인 견고성을 높게 유지할 수 있다. 진공 마이크로폰의 정지 전극은 (제 1) 좁은 갭을 통해 외부 부분과 내부 부분으로 분리되는 (제 1) 전도성 층으로 이루어지며, 절연 층은 전도성 층의 상부에 형성될 수 있다. 전도성 층의 외부 부분은 가동 가능한 구조체(즉, 멤브레인 또는 다이어프램)에 전기적으로 접속될 수 있다. 정지 전극이 추가의 (제 2) 전도성 층을 포함하는 경우에, 이 전도성 층도 마찬가지로 추가의 (제 2) 좁은 갭에 의해 내부 부분과 외부 부분으로 분리된다. 이 경우에, 제 1 및 제 2 좁은 갭은 백플레이트 전극의 주 표면에 수직한 돌출부를 기준으로 겹치지 않도록 서로 간격을 띄우거나 간격을 벌어지게 하는 것이 바람직하다. 두 개의 전도성 층의 외부 부분은 백플레이트 전극에 의해 그 움직임이 용량적으로 검출되는 가동 가능한 구조체에 전기적으로 접속될 수 있다.
변형 예로서, 분할은 이와 달리 또는 또한 가동 가능한 구조체, 즉, 가동 가능한 멤브레인(들) 또는 다이어프램에 적용될 수 있다. 멤브레인(들)의 외부 부분은 전기적으로 백플레이트 구조체에 접속될 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 분할된 대향 전극 구조체를 포함하는 MEMS 마이크로폰의 개략적인 단면도 및 개략적인 평면도를 도시한다. 도 1b는 도 1a에서 파선 "AA"로 표시된 교차 평면을 기준으로 하는 도 1a의 MEMS 디바이스(100)의 평면도이다. 도 1b의 파선 "BB"는 도 1a의 단면도의 교차 평면을 표시한다.
도 1a 및 도 1b는 MEMS 디바이스(100), 예를 들어, 진공 MEMS 마이크로폰의 개념을 개략적으로 예시하며, MEMS 디바이스는 제 1 멤브레인 (또는 다이어프렘) 요소(102) 및 제 1 멤브레인 요소(102)와 이격되어 있는 제 2 멤브레인 (또는 다이어프렘) 요소(104)를 포함한다. 저압 구역(106), 예를 들어, 진공 구역 또는 거의 진공에 가까운 구역은 제 1 멤브레인 요소(102)와 제 2 멤브레인 요소(104) 사이에 위치하며, 저압 구역(106)은 주변 압력보다 낮은 (가스) 압력을 갖는다. 대향 전극 구조체(또는 백플레이트 구조체)(108)는 적어도 부분적으로 저압 구역(106) 내에 배열되거나 또는 저압 구역(106)에서 연장하는 (적어도 하나의) 전도성 층(110)을 포함한다. 전도성 층은 전도성 층(110)의 제 1 부분(110a)과 전도성 층(110)의 제 2 부분(110b) 사이에서 전기적인 분리(electrical insulation)를 제공하는 분할부(112)를 포함한다.
MEMS 디바이스(100)를 차동 방식으로 판독할 수 있도록 하기 위해, 외부 부분(110b)은 전기적으로 분리된 두 개의 부분(110b-1, 110b-2)을 포함할 수 있다. 따라서, 단일의 전도성 층의 전기적으로 분리된 외부 부분(110b-1, 110b-2)은 두 개의 멤브레인 요소(102, 104)의 단락을 피하기 위해 각기 가동 가능한 멤브레인 요소(102, 104) 중 하나에 전기적으로 접속된다. 대향 전극(110)의 내부 부분(110a)을 바이어싱함으로써, 두 개의 멤브레인 요소(102, 104)는, 예를 들어, 차동적으로 판독될 수 있다.
앞에서 언급된 바와 같이, 대향 전극 구조체(108)는 적어도 하나의 전도성 층(110)을 포함할 수 있으며, 도 1a 및 도 1b, 도 2a 내지 도 2e 및 도 3a 내지 도 3c와 관련되는 다음의 설명은, 예를 들어, 하나의 전도성 층을 포함하는 대향 전극 구조체에 관한 것이며, 다음의 설명은 예를 들어, 두 개의 전기적으로 분리된/절연된 전도성 층을 가진 대향 전극을 갖는 구성에도 동일하게 적용 가능하다.
도 1a에 또한 도시된 바와 같이, 제 1 멤브레인 요소(102)와 대향 전극 구조체(108) 사이 그리고 제 2 멤브레인 요소(104)와 대향 전극 구조체(108) 사이에는 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(102, 104)를 대향 전극 구조체(108)로부터 미리 정의된 거리로 유지하기 위한 (선택적인) 스페이서 요소(113, 114)가 배열될 수 있다.
또한 도 1a에 도시된 바와 같이, 제 1 멤브레인 요소(102)는 변위 가능한 (가동 가능한) 부분(102a) 및 고정 부분(102b)을 포함하며, 제 2 멤브레인 요소(104)는 변위 가능한 또는 가동 가능한 부분(104a) 및 고정 부분(104b)을 포함한다. 제 1 멤브레인 요소(102)의 고정 부분(102b)은 제 1 스페이서 요소(113)에 예를 들어, 기계적으로 접속되며, 제 2 멤브레인 요소(104)의 고정 부분(104b)은 제 2 스페이서 요소(114)에 예를 들어, 기계적으로 접속(부착)된다. 또한, 대향 전극 구조체(108)는, 예를 들어, 제 1 및 제 2 스페이서 요소(113, 114) 사이에서 고정(샌드위치)된다. 따라서, 전도성 층(110)의 제 1 부분(110a)은 제 1 멤브레인 요소(102)의 변위 가능한 부분(102a)과 제 2 멤브레인 요소(104)의 변위 가능한 부분(104a) 사이에 배열된다.
이와 같이, 전도성 층(110)의 제 1 부분(110a)은 전도성 층의 중간 또는 중앙 부분이며, 전도성 층(110)의 제 2 부분(110b)은 전도성 층(110)의 테두리 또는 가장자리 부분이다. 그래서 중간 또는 중앙 부분(110a)은 전도성 층(110)의 "전기적 활성" 부분으로 간주될 수 있고 유효 캐패시턴스(C0)에 기여하며, 그런 연유로 센서 출력 신호의 유용한 신호 성분에 기여한다.
따라서 유효 캐패시턴스(C0)와 조합하여 형성되는 가변적인 활성 캐패시턴스(CA 및 CB)가 각기 형성된다. 가변적인 활성 캐패시턴스(CA)는 제 1 멤브레인 요소(102)의 변위 가능한 부분(102a)과 대향 전극 구조체(108) (즉, 전도성 층(110)의 제 1 부분(110a) 사이에서 형성되며, 가변적인 활성 캐패시턴스(CB)는 제 2 멤브레인 요소(104)의 변위 가능한 부분(104a)과 대향 전극 구조체(108) (즉, 전도성 층(110)의 제 1 부분(110a) 사이에서 형성된다.
도 1a에 선택적으로 도시된 바와 같이, 전도성 층(110)의 제 2 부분(110b)은 제 1 접속 요소(118)에 의해 제 1 멤브레인 요소(102)에 전기적으로 연결되고 제 2 접속 요소(120)에 의해 제 2 멤브레인 요소(104)에 전기적으로 연결될 수 있다. 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(102, 104)는 기계적으로 결합될 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(102, 104)는 전기적으로 연결되기도 하고 또는 전기적으로 분리(절연)될 수도 있다.
제 1 또는 제 2 멤브레인 요소(102, 104)의 (선택적인) 기계적 결합은 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(102, 104) 중의 하나가 변위를 일으키면, 기계적인 결합으로 인하여, 다른 멤브레인 요소의 대응하는 변위를 일으키는 구성을 초래한다. 따라서 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(102, 104)의 변위는 "병렬로" 발생한다.
저압 구역(106)은 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(102, 104) 사이에 형성되는 밀봉된 공동부(cavity) 내에 위치한다. 보다 구체적으로, 밀봉된 공동부는 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(102, 104)와 제 1 및 제 2 스페이서 요소(113, 114)에 의해 갇힐 수 있다. 저압 구역(106) 내의 압력은 실질적으로 진공이거나 거의 진공에 가깝다.
위에서 개략적으로 도시된 바와 같이, 제 1 멤브레인 요소(102) (및/또는 제 2 멤브레인 요소(104))는 주변 압력에 노출되고 잠재적으로는 음압(sound pressure)(PSOUND)에 노출될 수 있다. 또한 멤브레인 요소의 이런 옆면은 MEMS 디바이스(100)의 음향을 수신하는 주 표면으로 간주될 수 있다. 기계적으로 결합되면, 제 1 멤브레인 요소(102)의 변위는 또한 결과적으로 제 2 멤브레인 요소(104)의 변위를 일으킬 수 있다. 저압 구역(106)은 주변 압력 또는 표준 대기압보다 전형적으로 적은 압력을 가질 수 있다.
보다 구체적으로, 실시예에 따르면, 저압 구역 내의 압력은 실질적으로 진공 또는 거의 진공에 가까울 수 있다. 이와 달리, 저압 구역의 압력은 주변 압력 또는 표준 대기압의 약 50% (또는 40%, 25%, 10% 또는 1%)보다 적을 수 있다. 표준 대기압은 전형적으로 101.325 kPa 또는 1013.25 mbar일 수 있다. 저압 구역 내의 압력은 또한, 예를 들어, 50, 40, 30또는 10 kPa보다 적은 절대 압력으로 표현될 수도 있다.
도 1b는 도 1a의 파선 "AA"으로 표시된 바와 같은 교차 평면을 기준으로 도 1a의 MEMS 디바이스(100)의 평면도 형태의 예시적인 모습을 도시한다. 도 1b의 파선 "BB"은 도 1a의 단면도의 교차 평면을 나타낸다.
도 1b에 예시된 바와 같이, 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(102, 104), 대향 전극 구조체(108) 및 분할부(112)는 단지 예의 형태로 정사각형 모양을 갖는 것으로 예시된다. 이와 달리, 이들 요소는 또한 원형의 원주형 모양 또는 임의의 다른 기하학적으로 적합한 (다각형) 원주형 모양 또는 디자인을 포함할 수 있다.
도 1b에 예시적으로 도시된 바와 같이, 전도성 층(110)의 분할부(112)(분할부 요소)는 전도성 층(110) 내의 (예를 들어, 분할부 홈의 형태로 된) 원주형의 좁은 갭 또는 리세스이다.
이와 같이, 도 1a 및 도 1b는 분할된 대향 전극 구조체(108)를 포함하는 MEMS 디바이스(100), 예를 들어, MEMS 진공 마이크로폰을 도시하는데, 즉, 대향 전극 구조체는 분할된 전도성 층(110)을 포함한다. 전도성 층(110)의 분할부(112)는 전도성 층(110)의 제 1 ("활성") 부분(110a)과 전도성 층(110)의 제 2 (실질적으로 "비활성") 부분(110b) 사이에 전기적인 분리를 제공하도록 배열될 수 있다.
가변적인 활성 캐패시턴스(CA 및 CB)는 제 1 멤브레인(102)의 변위 가능한 부분(102a)과 전도성 층(110)의 제 1 (활성) 부분(110a) 사이 그리고 제 2 멤브레인(104)의 변위 가능한 부분(104a)과 전도성 층(110)의 제 1 (활성) 부분(110a) 사이에서 관측된다. 그러므로 활성 캐패시턴스(CA 및 CB)는 전도성 층(110)을 포함하는 대향 전극 구조체(108)와 관련하여 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(102, 104)의 변위 가능한 부분(102a, 104a)의 움직임과 관련하여 변하며, 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(102, 104)의 변위의 움직임은, 예를 들어, 환경에서의 음성, 음악 등으로 인해 유발된 음압 변동(PSOUND)에 의해 발생된다.
도 1a 및 도 1b의 MEMS 디바이스(100)의 경우, 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(102, 104) 및 대향 전극 구조체(108)는 직사각형 형상을 가질 수 있으며, 또한, 원주형의 좁은 갭/리세스 형태의 분할부(112), 즉, 분할부 홈(112) 또한 예를 들어 직사각형의 원주 형상을 포함할 수 있다. 그러나 다른 구성에서, 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(102, 104) 및 대향 전극 구조체(108)도 또한 원형 형상을 가질 수 있으며, 분할부 역시 원형으로 형성될 수 있다. 그러나 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(102, 104) 및/또는 대향 전극 구조체(108)의 형상과 관계없이, 전도성 층(110) 내의 원주형의 좁은 갭(112)은 임의의 적절한 (원형, 직사각형, (거의 닫힌) 다각형) 원주 형상을 가질 수 있다. 대향 전극 구조체(108)의 (적어도 하나의) 전도성 층(110)은 전기 전도성 물질, 예를 들어, 폴리-실리콘 또는 임의의 금속화로 제조되거나 아니면 이를 포함할 수 있다. 대향 전극 구조체(108)의 분할부를 제공함으로써, 기생 캐패시턴스는 상당히 감소될 수 있는데, 이것은 제 1 및 제 2 멤브레인 요소에 각기 전기적으로 접속될 수 있는 전도성 층(110)의 분리되고 절연된 제 2 (비활성) 부분(110b)이 기생 캐패시턴스(CP)의 생성에 기여하지 않기 때문(또는 적어도 매우 축소되어 기여하기 때문)이다. 그러므로 MEMS 디바이스(100)의 캐패시턴스는 제 1 멤브레인 요소(102)의 변위 가능한 부분(102a)과 전도성 층(110)의 제 1 부분(110a) 사이에서 생성된 활성 캐패시턴스(CA)와, 제 2 멤브레인 요소(104)의 변위 가능한 부분(104a)과 대향 전극 구조체(108), 즉, 전도성 층(110)의 제 1 부분(110a) 사이의 추가 활성 캐패시턴스(CB)를 포함할 수 있다.
이러한 접근방법에 기초하여, (여전히 남아 있는) 기생 캐패시턴스(CP)는 본질적으로 모두 없앨 수 있거나 적어도 실질적으로 감소될 수 있다.
이제 도 2a 내지 도 2e는 도 1a의 점선 원(112a)으로 표시된 바와 같은 분할부(112)의 여러 확대도를 예시적인 형태로 제공한다.
도 2a는 전도성 층(110)이 (적어도 분할부(112)에 인접한 영역에서) 분리 층(isolation layer)(116)에 의해 덮인 구성을 도시하며, 전도성 층(110) 내의 갭(112)은 적어도 부분적으로 분리 층(116)의 물질로 채워져서, 전도성 층(110)의 제 1 부분(110a)과 제 2 부분(110b) 사이에 전기적인 분리가 제공된다.
도 2b는 분할부(112)의 구성을 도시하며, 전도성 층(110)의 제 1 및 제 2 부분(110a, 110b) 사이의 갭(112)은 완전히 분리 층(116)의 물질로 채워진다.
도 2c는 분할부(112)의 구성을 도시하며, 전도성 층(110)의 제 1 및 제 2 부분(110a, 110b) 사이의 갭(112)은 분리 층(116)의 물질로 완전히 채워지며, 전도성 층(110)은 (적어도 분할부(112)에 인접한 영역에서) 분리 층(116)의 물질 내부에 완전히 묻힌다.
도 2d는 분리 층(116)이 (적어도 분할부(112)에 인접한 영역에서) 전도성 층(110), 즉, 제 1 및 제 2 부분(110a, 110b)를 덮는 구성을 도시하며, 전도성 층(110)의 제 1 및 제 2 부분(110a, 110b) 사이의 갭(112)에는 분리 층(116)의 어느 분리 물질도 없다(즉, 분리하는 어느 물질도 포함하지 않는다).
도 2e는 전도성 층(110)의 제 1 및 제 2 부분(110a, 110b) 사이의 (오직) 갭(112)만이 전도성 층(110)의 제 1 및 제 2 부분(110a, 110b) 사이에 전기적인 분리를 제공하는 분할부(112)를 형성하는 절연 물질로 채워지는 구성을 도시한다.
도 2a 내지 도 2d에 도시된 바와 같이, 분리 층(116)(분리 지원체 또는 분리 지원 층(116))은 (적어도 분할부(112)에 인접한 영역에서) 전도성 층(110), 즉, 전도성 층(110)의 제 1 및 제 2 부분(110a, 110b) 상에 배치될 수 있다. 분리 층(116)은 전도성 층(110)의 전체 영역 위에 배치될 수 있거나, 전도성 층(110)의 일부분 또는 여러 부위 위에만 배치될 수 있다. 분리 층(116)은 제 1 멤브레인 요소(102)와 마주하는 전도성 층(110)의 표면 영역 상에 배치될 수 있거나 제 2 멤브레인 요소(104)와 마주하는 표면 영역 상에 배치될 수 있다. 분리 층(116)은 실리콘 이산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물(silicon oxynitride)과 같은 높은(high)-k의 유전체, 폴리이미드 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
앞에서 도시된 바와 같이, 전도성 층(110)의 제 1 부분(110a) 및 제 2 부분(110b)은 적어도 부분적으로 분리 층(116)의 분리 물질로 채워진 분리 갭 또는 분리 홈에 의해 서로 분리될 수 있다. 보다 구체적으로, 분할부 홈(112)은 실리콘 이산화물, 실리콘 질화물 또는 실리콘 산질화물과 같은 유전체 물질로 채워질 수 있다.
도 2e에 도시된 바와 같이, 전도성 층(110)의 제 1 및 제 2 부분(110a, 110b) 사이의 갭은 주변 유체 또는 가스, 예를 들어, 공기로 채워질 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 그 기능성을 설명하기 위하여 상이한 작동 조건에서 분할된 대향 전극 구조체(108)를 포함하는 진공 MEMS 마이크로폰 (MEMS 확성기 또는 MEMS 음향 변환기)(100)의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 필라(pillar)(기둥 또는 지주)(122)는 제 1 멤브레인 요소(102)와 제 2 멤브레인 요소(104)를 기계적으로 결합하고 있다. 보다 구체적으로, 적어도 하나의 필라(122)는 제 1 멤브레인 요소(102)의 변위 가능한 부분(102a)과 제 2 멤브레인 요소(104)의 변위 가능한 부분(104a) 사이에서 기계적으로 결합된다.
하나 이상의 필라가 전기적으로 전도성인 경우, 이들 필라는 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(102, 104) 사이에서 기계적 및 전기적인 결합을 제공한다. 하나 이상의 필라가 전기적으로 절연성인 경우, 이들 필라는 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(102, 104) 사이에 기계적인 결합 및 전기적인 분리를 제공한다.
필라(기둥 또는 지주)(122)는 전형적으로 대향 전극 구조체(108)과 맞닿거나 접촉하지 않고, 오히려 대향 전극 구조체(108) 내의 개구 또는 홀(124)을 통해 대향 전극 구조체(108), 즉, (적어도 하나의) 전도성 층(110)을 관통할 수 있다. 도 3a에 개략적으로 예시된 구현 예에서, 필라(122)는 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(102, 104)와 일체로 형성될 수 있다. 따라서, 제 1 멤브레인 요소(102), 제 2 멤브레인 요소(104) 및 필라(122)는 동일한 물질, 예를 들어, 다결정 실리콘(폴리-실리콘)의 통합 구조체를 형성할 수 있다. 그렇기는 하지만, 이것은 제 1 멤브레인 요소(102), 제 2 멤브레인 요소(104) 및 필라(122)가 MEMS 디바이스(100)의 제조 중에 동시에 형성되어야 하는 것을 의미하지 않는다. 오히려, 제 2 멤브레인 요소(104)는 (제 1) 증착 공정 동안 기판(126)의 표면상에 (또는 에칭 정지 층과 같은 보조 층의 표면상에) 먼저 형성될 수 있는 것이 가능할 수 있다. 이후, 필라(122) 및 최종적으로 또한 제 1 멤브레인 요소(102)는 후속 (제 2) 증착 공정 동안 그리고 어쩌면 추가의 후속 (제 3) 증착 공정 동안 형성될 수 있다. 대안의 구현 예에서, 필라(122)는 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(102, 104)와 다른 물질일 수 있다. 제 1 멤브레인 요소(102)는 음향의 도달 방향을 향할 수 있는 주 표면을 가질 수 있다. 기판(126) 내의 리세스 또는 홀(128)은 제 2 멤브레인 요소(104)에 인접한 배면 공동부(128)를 형성한다.
도 3a 내지 도 3c에 묘사되는 바와 같이 대향 전극 구조체(108)의 세 개의 중앙 부분이 저압 구역(106) 내에서 "떠있는(floating)"것처럼 보이지만, 중앙 부분은 전형적으로 점선으로 표시된 바와 같이, 도 3a 내지 도 3c의 도면 평면의 위 및/또는 아래의 대향 전극 구조체의 주연부에 부착될 수 있다는 것을 주목하여야 한다.
도 3a는, 예를 들어, 멤브레인 요소(102, 104)가 편향되거나 변위되게 하는 아무런 음파도 멤브레인 요소(102, 104)에 도달하지 않을 때, MEMS 디바이스(100)(MEMS 마이크로폰)가 정지 위치에 있는 것을 도시한다. 도 3b 및 도 3c는 도달하는 음압(PSOUND)에 똑같이 노출될 수 있는 예시적인 MEMS 디바이스(100)의 개략적인 단면도를 도시한다. 도 3b는 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(102, 104) 및 필라(122)를 포함하는 멤브레인 구성이, 배면 공동부(128) 내부의 기준 압력과 비교하여, 음향에 의해 유발된 상대적인 초과압력으로 인해 제 1 멤브레인 요소(102)에 인접한 상측부에서 아래로 내리눌릴 수 있는 상황을 도시한다. 도 3c에서, 음향 수신 측에서의 압력은 배면 공동부(128) 내부의 압력보다 낮아서, 멤브레인 구성(102, 104, 122)은 상방으로 편향될 수 있다. 따라서, 멤브레인 구조체는 도달하는 음향 신호(PSOUND) 하에서 대향 전극 구조체(고정자)(108)를 중심으로 위와 아래로 움직인다.
구현 선택 사항으로서, 멤브레인 구성(102, 104, 122)은 주변 대기와 배면 공동부(128) 사이의 정지 압력 평형(static pressure equalization)을 위한 소위 환기 구멍(도 3a 내지 도 3c에 도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 선택적인 환기 구멍은 예를 들어, 멤브레인 구성의 중간에서 직사각형(또는 정사각형) 단면 또는 원형 단면을 가질 수 있다. 그래서 이와 같은 환기 구멍은 주변 압력과 배면 공동부(128) 사이에서 정지 압력 평형을 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 더욱이, 다른 선택 사항으로서, 멤브레인 구성 내에 복수의 환기 구멍이 마련될 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 다른 MEMS 디바이스(200), 예를 들어, 두 개의 분할된 전도성 층, 즉, 제 1 분할된 전도성 층(110) 및 제 2 분할된 전도성 층(210)을 갖는 분할된 대향 전극 구조체(108)를 포함하는 진공 MEMS 마이크로폰 또는 MEMS 확성기 형태의 MEMS 음향 변환기의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 대향 전극 구조체(108)는 (제 1) 전도성 층(110) 및 추가 (제 2) 전도성 층(210)을 포함하며, 제 2 전도성 층(210)은 제 1 전도성 층(110)과 전기적으로 분리되어 있다. 추가 분할부(212)는 제 2 전도성 층(210)의 제 1 부분(210a)과 제 2 전도성 층(210)의 제 2 부분(210b) 사이에 전기적인 분리를 제공한다. 또한, 절연 층(202)은 대향 전극 구조체(108)의 제 1 및 제 2 전도성 층(110, 210) 사이에 배열되어 제 1 및 제 2 전도성 층(110, 210)의 추가 부분(110a, 210b)의 절연 및 분리를 제공할 수 있다.
추가 분할부(212), 즉, 전도성 층(210)의 분할부도 마찬가지로 전도성 층(210) 내의 원주형의 좁은 갭(제 2의 좁은 갭)이다.
도 4a에 또한 도시된 바와 같이, (선택적인) 스페이서 요소(113, 114)는 제 1 멤브레인 요소(102)와 대향 전극 구조체(108) 사이 그리고 제 2 멤브레인 요소(104)와 대향 전극 구조체(108) 사이에 배열되어 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(102, 104)를 대향 전극 구조체(108)로부터 미리 정의된 거리로 유지되게 할 수 있다.
도 4a에 역시 도시된 바와 같이, 제 1 멤브레인 요소(102)는 변위 가능한 (가동) 부분(102a) 및 고정 부분(102b)을 포함하며, 제 2 멤브레인 요소(104)는 변위 가능한 또는 가동 부분(104a) 및 고정 부분(104b)을 포함한다. 제 1 멤브레인 요소(102)의 고정 부분(102b)은, 예를 들어, 제 1 스페이서 요소(113)에 기계적으로 접속되며, 제 2 멤브레인 요소(104)의 고정 부분(104b)은 제 2 스페이서(114)에 기계적으로 접속(부착)된다. 또한, 대향 전극 구조체(108)는, 예를 들어, 제 1 및 제 2 스페이서 요소(113, 114) 사이에 고정된다(샌드위치되어 있다). 따라서, 제 1 전도성 층(110)의 제 1 부분(110a)은 제 1 멤브레인 요소(102)의 변위 가능한 부분(102a)과 제 2 멤브레인 요소(104)의 변위 가능한 부분(104a) 사이에 배열된다.
이와 같이, 제 1 전도성 층(110)의 제 1 부분(110a)은 전도성 층의 중앙 또는 중간 부분이며, 제 1 전도성 층(110)의 제 2 부분(110b)은 전도성 층(110)의 테두리 부분이다. 그러므로 중앙 부분(110a)은 제 1 전도성 층(110)의 "전기적 활성" 부분으로 간주될 수 있으며, 유용한 캐패시턴스(C0)에 기여하고 그리하여 센서 출력 신호의 유용한 신호 성분에 기여할 수 있다. 그뿐만 아니라, 제 2 전도성 층(210)의 제 1 부분(210a)은 제 2 전도성 층(210)의 중앙 또는 중간 부분이며, 제 2 전도성 층(210)의 제 2 부분(210b)은 제 2 전도성 층(210)의 테두리 부분이다. 따라서, 중간 부분(210a)은 전도성 층(210)의 "전기적 활성" 부분으로 간주될 수 있으며, 유용한 캐패시턴스(C0)에 기여하고 그리하여 센서 출력 신호의 유용한 신호 성분에 기여할 수 있다.
이와 같이, 유용한 캐패시턴스(C0)와 조합하여 형성되는 가변적인 활성 캐패시턴스(CA 및 CB)가 각기 형성된다. 가변적인 활성 캐패시턴스(CA)는 제 1 멤브레인 요소(102)의 변위 가능한 부분(102a)과 대향 전극 구조체(108)(즉, 제 1 전도성 층(110)의 제 1 부분(110a)) 사이에 형성되며, 가변적인 활성 캐패시턴스(CB)는 제 2 멤브레인 요소(104)의 변위 가능한 부분(104a)과 대향 전극 구조체(108)(즉, 제 2 전도성 층(210)의 제 1 부분(210a)) 사이에 형성된다.
도 4a에 선택적으로 도시된 바와 같이, 제 1 전도성 층(110)의 제 2 부분(110b)은 제 1 접속 요소(118)에 의해 제 1 멤브레인 요소(102)에 전기적으로 연결될 수 있으며, 제 2 전도성 층(210)의 제 2 부분(210b)은 제 2 접속 요소(120)에 의해 제 2 멤브레인 요소(104)에 전기적으로 연결될 수 있다. 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(102, 104)는 기계적으로 결합될 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(102, 104)는 전기적으로 연결될 수도 있고, 아니면 전기적으로 분리(절연)될 수도 있다.
더욱이, 제 1 및 제 2 전도성 층(110, 210)의 제 2 부분(110b 및 210b)을 전기적으로 접속하기 위한 선택적인 전기적 연결부(230)가 제공될 수 있다.
제 1 및 제 2 멤브레인 요소(102, 104)의 (선택적인) 기계적인 결합은 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(102, 104) 중 하나가 변위를 일으키면, 기계적인 결합으로 인하여, 다른 멤브레인 요소의 대응하는 변위를 일으키는 구성을 초래한다. 그렇기 때문에 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(102, 104)의 변위는 (본질적으로) "병렬로" 발생한다.
저압 구역(106)은 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(102, 104) 사이에 형성된 밀봉된 공동부 내에 위치된다. 보다 구체적으로, 밀봉된 공동부는 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(102, 104)와 제 1 및 제 2 스페이서 요소(113, 114)에 의해 갇힐 수 있다. 저압 구역(106) 내의 압력은 실질적으로 진공이거나 거의 진공에 가깝다.
위에서 개략적으로 도시된 바와 같이, 제 1 멤브레인 요소(102) (및/또는 제 2 멤브레인 요소(104))는 주변 압력에 노출되고 잠재적으로는 음압(PSOUND)에 노출될 수 있다. 멤브레인 요소의 이런 옆면은 또한 MEMS 디바이스(100)의 음향을 수신하는 주 표면으로도 간주될 수 있다. 기계적으로 연결되면, 제 1 멤브레인 요소(102)의 변위는 또한 결과적으로 제 2 멤브레인 요소(104)의 변위를 일으킬 수 있다. 저압 구역(106)은 주변 압력 또는 표준 대기압보다 전형적으로 적은 압력을 가질 수 있다.
도 4a에 예시적으로 도시된 바와 같이, 제 1 및 제 2 전도성 층(110, 210)의 분할부(112, 212)(분할부 요소)는 각각의 제 1 및 제 2 전도성 층(110, 210) 내의 (분할부 홈 형태의) 원주형의 좁은 갭 또는 리세스이다.
가변적인 활성 캐패시턴스(CA 및 CB)는 제 1 멤브레인(102)의 변위 가능한 부분(102a)과 제 1 전도성 층(110)의 제 1 (활성) 부분(110a) 사이 그리고 제 2 멤브레인(104)의 변위 가능한 부분(104a)과 제 2 전도성 층(210)의 제 1 (활성) 부분(210a) 사이에서 관측된다. 그러므로 활성 캐패시턴스(CA 및 CB)는 전도성 층(110, 210)을 포함하는 대향 전극 구조체(108)와 관련하여 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(102, 104)의 변위 가능한 부분(102a, 104a)의 움직임(x1, x2)에 기초하여 캐패시턴스 변동(CA, CB)의 형태로 변하며, 여기서 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(102, 104)의 움직임 또는 변위는, 예를 들어, 음성, 음악 등으로 인해 유발된 음압 변동(PSOUND)에 의해 발생된다.
도 4a 및 도 4b의 MEMS 디바이스(100)의 경우, 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(102, 104) 및 대향 전극 구조체(108)는 직사각형 형상을 가질 수 있으며, 마찬가지로, 원주형의 좁은 갭/리세스 형태의 분할부(112, 212), 즉, 분할부 홈(112)도 또한 직사각형 형상을 포함한다. 그러나 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(102, 104) 및 대향 전극 구조체(108)는 원형 형상을 가질 수 있으며, 분할부 역시 원형으로 형성될 수 있다는 것이 명백해져야 한다. 그러나 제 1 및 제 2 멤브레인 요소 및/또는 대향 전극 구조체(108)의 형상과 관계없이, 제 1 전도성 층(110) 및 제 2 전도성 층(210) 내의 원주형의 좁은 갭은 임의의 적절한 (원형, 직사각형, (거의 닫힌) 다각형) 원주 형상을 가질 수 있다는 것이 명백해져야 한다. 대향 전극 구조체(108)의 (적어도 하나의) 전도성 층(110)은 전기 전도성 물질, 예를 들어, 폴리-실리콘 또는 임의의 금속화로 제조되거나 아니면 이를 포함할 수 있다. 대향 전극 구조체(108)의 분할부를 제공함으로써, 기생 캐패시턴스는 상당히 감소할 수 있는데, 이것은 제 1 및 제 2 멤브레인 요소에 각기 전기적으로 접속될 수 있는 제 1 전도성 층(110)의 분리되고 절연된 제 2 (비활성) 부분(110b) 및 제 2 전도성 층(210)의 제 2 (비활성) 부분(210b)이 기생 캐패시턴스의 생성에 기여하지 않기 때문이다(또는 적어도 매우 축소되어 기여하기 때문)이다. 그러므로 MEMS 디바이스(100)의 캐패시턴스는 제 1 멤브레인 요소(102)의 변위 가능한 부분(102a)과 대향 전극 구조체(108), 즉, 제 1 전도성 층(110)의 제 1 부분(110a) 사이에서 생성된 활성 캐패시턴스(CA)와, 제 2 멤브레인 요소(104)의 변위 가능한 부분(104a)과 대향 전극 구조체(108), 즉, 제 2 전도성 층(210)의 제 1 부분(210a) 사이의 다른 활성 캐패시턴스(CB)를 전체적으로 포함할 수 있다.
이러한 접근법에 기초하여, (여전히 남아 있는) 기생 캐패시턴스(CP)는 본질적으로 없앨 수 있거나 적어도 실질적으로 감소될 수 있다.
앞에서 언급한 바와 같이, MEMS 디바이스(200)의 대향 전극 구조체(108)는 두 개의 전도성 층(110, 210)을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 하나의 전도성 층을 포함하는 대향 전극 구조체와 관련하는 도 2a 내지 도 2e에 대해 전술한 설명도 또한 MEMS 디바이스(200)의 제 2 전도성 층(210) (및 추가의 분리 층(216))에도 동일하게 적용 가능하다.
이와 같이, 추가의 분리 층(216)은 예를 들어, 제 2 멤브레인 요소(104)와 마주하는 제 2 전도성 층(210)의 표면 영역 상에 배치될 수 있다. 분리 층(216)은 실리콘 이산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물과 같은 높은-k의 유전체, 폴리이미드 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
도 4a에 예시적으로 도시된 바와 같이, 제 2 전도성 층(210) 내의 제 2 좁은 갭(212)은 분리 물질로 채워진다. 하지만, 제 1 좁은 갭(112) 및 제 2 좁은 갭(212)에 대한 다른 선택적인 구현은 아래에서 도 5a 및 도 5b와 관련하여 예시적으로 예시된다.
제 2 전도성 층(210)의 제 1 부분(210a)은 제 2 전도성 층(210)의 중앙 또는 중간 부분이며, 제 2 전도성 층(210)의 제 2 부분(210b)은 제 2 전도성 층의 테두리 또는 가장자리 부분이다. 제 1 멤브레인 요소(102)는 변위 가능한 부분(102a) 및 고정 부분(102b)을 포함하며, 제 2 멤브레인 요소(104)는 변위 가능한 부분(104a) 및 고정 부분(104b)을 포함한다. 그러므로 제 1 전도성 층(110)의 제 1 부분(110a)은 제 1 멤브레인 요소(102)의 변위 가능한 부분(102a)과 마주하며, 제 2 전도성 층(210)의 제 1 부분(210a)은 제 2 멤브레인 요소(104)의 변위 가능한 부분(104a)과 마주한다. 또한, 제 1 스페이서(113) (제 1 스페이서 요소)는 그의 테두리 부분에서 제 1 멤브레인 요소(102)와 제 1 전도성 층(110) 사이에 배열되며, 제 2 스페이서(114) (제 2 스페이서 요소)는 그의 테두리 부분에서 제 2 멤브레인 요소(104)와 제 2 전도성 층(210) 사이에 배열된다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 제 1 전도성 층(110) 내의 원주형의 좁은 갭(112)은 (수직 돌출부를 기준으로) 제 1 스페이서 요소(113)의 외부에 배치되며, 제 2 전도성 층(210) 내의 원주형 갭(212)은 수직 돌출부를 기준으로, 제 2 스페이서 요소 내부에 배치된다. 그러나 제 1 및 제 2 좁은 갭(112 및 212)의 이와 같은 구성은 그저 예시적인 구현 예일 뿐이며, 대향 전극 구조체(108)의 필요한 구조적인 견고성에 기초하여, 서로에 대해 그리고 제 1 및 제 2 스페이서 요소(113, 114)에 대해 제 1 및 제 2 좁은 갭(112및 212)의 상대적인 위치는 아래에서 상세하게 기술되는 바와 같이 적절하게 적응될 수 있다.
아래에서, 거리(d1)는 (수직 돌출부를 기준으로) 제 1 좁은 갭(112)과 제 1 스페이서 요소(113)(의 인접한 가장자리) 사이의 거리를 말하고, 거리(d2)는 (수직 돌출부를 기준으로) 제 2 좁은 갭(212)과 제 2 스페이서 요소(114)(의 인접한 가장자리) 사이의 거리를 말하며, 거리(d3)는 (수직 돌출부를 기준으로 그리고 제 1 및 제 2 좁은 갭 사이를 근본적으로 일정한 거리라고 가정하면) 제 1 및 제 2 좁은 갭(112 및 212)(의 인접한 가장자리) 사이의 거리를 말한다. 이들 거리는 아래에서 도 5c에도 도시된다.
다음과 같은 평가는 결과적인 대향 전극 구조체(108)의 필요한 견고성과 대향 전극 구조체(108)로부터 유래하는 결과적인 기생 캐패시턴스 간의 상쇄관계(tradeoff)와 관련하여 거리(d1, d2 및 d3)가 특별하게 선택된 값이라는 것을 자세하게 보여줄 것이다. 보다 구체적으로, 선택된 거리(d1 및 d2)가 더 크거나 같으면, 제 1 및 제 2 전도성 층(110, 210)으로부터 유래하는 결과적인 기생 캐패시턴스는 더 작아진다. 그러나 동일한 관계에서, 거리(d1 및 d2)가 증가하면, 결과적인 유용한 캐패시턴스(CA, CB)는 제 1 멤브레인 요소(102)의 변위 가능한 부분(102a) 및 제 2 멤브레인 요소(104)의 변위 가능한 부분(104a)의 그에 따라 줄어든 (활성) 영역으로 인해 감소한다. 더욱이, 제 1 및 제 2 갭(112, 212) 사이의 거리(d3)가 커지면, 대향 전극 구조체(108)의 결과적인 기계적 견고성은 커지지만, 제 1 및 제 2 전도성 층(110, 210)이 비대칭적인 전기적 속성을 갖게 된다.
제 1 전도성 층(110) 내의 원주형의 좁은 갭(112)은 수직 돌출부를 기준으로, 제 2 전도성 층(210)의 원주형의 좁은 갭(212)에 대해 측면방향으로 간격이 벌어지기 때문에, 제 1 및 제 2 전도성 층(110, 210) 내의 제 1 및 제 2 좁은 갭(112, 212)은 중첩하지 않는 구성으로 배열된다.
도 4b는 두 개의 분할된 제 1 및 제 2 전도성 층(110, 210)을 갖는 분할된 대향 전극 구조체(108)를 포함하는 진공 MEMS 마이크로폰(200)의 개략적인 단면도를 도시한다. 보다 구체적으로, 도 4b의 진공 MEMS 마이크로폰의 모양은, 도 3a 내지 도 3c의 하나의 분할된 전도성 층(110)과 대조하여, 분할된 대향 전극 구조체(108)가 두 개의 분할된 제 1 및 제 2 전도성 층(110, 210)을 포함한다는 점에서 도 3a 내지 도 3c의 모양과 다르다. 그래서 도 3a 내지 도 3c의 맥락에서 언급한 설명은, 예를 들어, 전기적으로 분리된/절연된 두 개의 전도성 층(110, 210)을 가진 대향 전극 구조체(108)를 갖는 도 4a-b의 구성에도 동일하게 적용 가능하다.
도 5a 및 도 5b는 도 4a 및 도 4b의 대향 전극 구조체(108)의 예시적인 분할부 영역의 개략적인 부분 단면도를 도시한다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 분할부는 제 1 및 제 2 전도성 층(110, 210) 및 절연 층(202)을 관통하는 갭(112, 212)이다. 따라서, 제 1 및 제 2 좁은 갭(112, 212)(의 인접한 가장자리) 사이의 거리(d3)는 제로이다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 갭(212)은 근본적으로 제 1 전도성 층(110)의 제 1 주 표면 및 갭(112)의 표면을 덮는 얇은 (선택적인) 절연 층(116)만으로 채워지지 않는다. 아울러, 질화물 물질을 포함할 수 있는 추가의 (선택적인) 절연 층(216)이 제 2 전도성 층(210)의 주 표면 영역 상에 배치될 수 있다. 제 1 및 제 2의 선택적인 절연 층(116, 216)의 두께는 결과적인 대향 전극 구조체(108)의 충분한 기계적 강도 또는 견고성을 성취하도록 선택될 수 있다.
도 5b는 제 1 및 제 2 원주형의 좁은 갭(112, 212)이 서로에 대해 측 방향으로 (거리(d3)만큼) 간격이 벌어진 구성을 도시한다. 제 1 전도성 층(110)의 제 1 주 표면 영역 및 원주형의 좁은 갭(112)은 선택적인 절연 층(116)으로 덮일 수 있다. 또한, 제 2 원주형의 좁은 갭(212)은 제 2 전도성 층(210) 쪽으로 연장하여 적어도 부분적으로 절연 층(202) 내로/절연 층을 관통하여 연장할 수 있다. 도 5b의 이러한 구성에서, 절연 층(202)은 부분적으로 단절된다. 절연 층(202)이 부분적으로 단절된 제 2 원주형 갭(212)의 이와 같은 구조체는 MEMS 디바이스, 즉, 진공 MEMS 마이크로폰의 기판 내 공동부(106)의 릴리즈 에칭(release etch) 동안 절연 층(202)을 에칭함으로써 만들어질 수 있다.
예를 들어, 절연 층(202)의 에칭은 두 개의 멤브레인에 의해 정의되는 공동부(106) 내에 존재하는 물질이 에칭되는 동안 수행될 수 있다. 배면 공동부(128)는 (절연 층(202)의 에칭보다) 늦게 에칭될 수 있으며, 배면 공동부(128)의 에칭은 절연 층(202)과 간섭하지 않는다.
제 2 원주형의 좁은 갭(212)을 형성하는 절연 층(202) 물질의 적어도 부분적인 제거는 산화물 물질로 채워지는 경우와 비교하여, 제 2 좁은 갭(212)의 레벨에서 더 낮은 기생 캐패시턴스를 제공한다.
도 5c는 분할된 제 1 및 제 2 전도성 층(110, 210)에 의해 야기되는 결과적인 잔여 (가장 지배적인) 기생 캐패시턴스(CP1-3)를 개략적으로 도시한다. 제 1 및 제 2 전도성 층(110, 210)의 분할부 및 제 1 전도성 층(110)의 제 2 부분(110b)과 제 2 전도성 층의 제 2 부분(210b) 사이의 제 1 멤브레인 요소(102) 및 제 2 멤브레인 요소(104)와의 전기적 접속부로 인하여, 결과적인 기생 캐패시턴스는 크게 감소되는데, 이것은 제 1 및 제 2 전도성 층(110, 210)의 분리된 (절연된) 부분(110b, 210b)이 기생 캐패시턴스의 생성에 미미하게 기여할 뿐이기 때문이다. 결과적으로 감소된 캐패시턴스는 제 1 전도성 층의 제 1 및 제 2 부분(110a, 110b) 사이의 CP1와, 제 2 전도성 층(210)의 제 1 및 제 2 부분(210a, 210b) 사이의 CP2와, 제 1 전도성 층(110)의 제 2 전도성 부분(110b)과 제 2 전도성 층의 제 1 부분(210a) 사이의 CP3이다.
거리(d1)는 (수직 돌출부를 기준으로) 제 1 좁은 갭(112)과 제 1 스페이서 요소(113)(의 인접한 가장자리) 사이의 거리를 말하고, 거리(d2)는 (수직 돌출부를 기준으로) 제 2 좁은 갭(212)과 제 2 스페이서 요소(114)(의 인접한 가장자리) 사이의 거리를 말하며, 거리(d3)는 (수직 돌출부를 기준으로 그리고 제 1 및 제 2 좁은 갭 사이를 근본적으로 일정한 거리라고 가정하면) 제 1 및 제 2 좁은 갭(112 및 212)(의 인접한 가장자리) 사이의 거리를 말한다.
기생 캐패시턴스(CP3)는 제 1 및 제 2 좁은 갭(112, 212) 사이의 벌어진 간격(거리(d3))에 기초한다. 거리(d3)가 증가하면 결과적인 대향 전극 구조체(108)의 기계적인 견고성이 증가되므로, 도 5c에서 표시된 바와 같이, 거리(d3)는 제 1 전도성 층의 제 2 부분(110b)과 제 2 전도성 층의 제 1 부분(210a) 사이의 기생 캐패시턴스(CP3)를 제한하기 위해 가능한 한 작게 선택되어야 한다.
아래에서, 거리(d1, d2 및 d3)와 결과적인 기생 캐패시턴스(CP1, Cp2 및 CP3) 사이의 예시적인 관계가 기술된다. 예를 들어, 기생 캐패시턴스(Cp1)는 근본적으로 좁은 갭(112)의 폭과 길이, 층(110)의 두께 및 갭(112)의 레벨에서 물질의 유전체 상수에 비례한다. 기생 캐패시턴스(Cp2)에 대해서도 똑같이 적용된다. 기생 캐패시턴스(Cp1 및 Cp2)는 전형적으로 >0, 1pF일 수 있다. 예를 들어, 기생 캐패시턴스(Cp3)는 거리(d3), 분할부 선의 길이(이렇게 길이는 이런 방식으로 중앙 부분(110a)의 크기에 좌우됨) 및 절연 층(202) 물질의 유전체 상수에 비례한다. 예를 들어, 1mm의 정사각형의 대향 전극 구조체(108) 및 4㎛의 거리(d3)의 경우에, 기생 캐패시턴스(Cp3)는 대략 1pF이다(이와 대조적으로 분할부가 없으면 기생 캐패시턴스는 5 내지 10배 더 높다).
MEMS 디바이스(100)의 출력 신호의 결과적인 신호 대 잡음 비는 다음과 같은 관계 1/(1 + c0/cp)를 따르므로, 증가된 유용한 캐패시턴스(C0) 및 CP1, CP2 및 CP3의 조합에 기초하여 감소된 전체 기생 캐패시턴스(CP)는 신호 대 잡음 비(SNR)를 증가시키는 결과를 초래한다.
아래에서, 도 1a 내지 도 1b, 도 2a 내지 도 2e, 도 3a 내지 도 3c, 도 4a 내지 도 4b, 및 도 5a 내지 도 5c와 관련하여 기술된 바와 같은 여러 요소의 일부 예시적이고 전형적인 치수와 물질은 다음과 같이 기술된다.
제 1 멤브레인 요소(102)는 폴리-실리콘을 포함하는 전도성 층으로 형성될 수 있으며, 이 층은 0.5㎛, 전형적으로는 0.1 내지 2㎛ 사이, 0.2 내지 1㎛ 사이, 또는 0.3 내지 0.7㎛ 사이의 범위의 두께를 가질 수 있다. 제 2 멤브레인 요소(104)는 폴리-실리콘을 포함하는 전도성 층으로 형성될 수 있으며, 이 층은 0.5㎛, 전형적으로는 0.1 내지 2㎛ 사이, 0.2 내지 1㎛ 사이, 또는 0.3 내지 0.7㎛ 사이의 범위의 두께를 가질 수 있다.
제 1 전도성 층(110)은 폴리-실리콘을 포함하는 전도성 층으로 형성될 수 있으며, 이 층은 0.5㎛, 전형적으로는 0.1 내지 2㎛ 사이, 0.2 내지 1㎛ 사이, 또는 0.3 내지 0.7㎛ 사이의 범위의 두께를 가질 수 있다. 제 2 전도성 층(210)은 폴리-실리콘을 포함하는 전도성 층으로 형성될 수 있으며, 이 층은 0.5㎛, 전형적으로는 0.1 내지 2㎛ 사이, 0.2 내지 1㎛ 사이, 또는 0.3 내지 0.7㎛ 사이의 범위의 두께를 가질 수 있다.
제 1 및 제 2 스페이서 요소(113, 114)의 두께 및 이로 인한 제 1 멤브레인 요소(102)와 대향 전극 구조체(108) 사이 및 제 2 멤브레인 요소(104)와 대향 전극 구조체(108) 사이의 거리(즉, 가동 부분과 정지 전극 사이의 갭)은 2㎛, 전형적으로는 0.5 내지 5㎛ 사이, 1 내지 3㎛ 사이, 또는 1.5 내지 2.5㎛ 사이의 범위 내에 있다.
산화물 물질을 포함할 수 있는, 제 1 및 제 2 전도성 층(110, 210) 사이의 (즉, 두 개의 정지 전극(110, 210) 사이의) 절연 층(202)의 두께는 0.3㎛, 전형적으로는 0.1 내지 1㎛ 사이, 0.2 내지 5㎛ 사이, 또는 0.25 내지 0.35㎛ 사이의 범위 내에 있다. 산화물 물질은, 예를 들어, 실리콘 이산화물(SiO2)일 수 있다.
제 1 전도성 층(110) 및 제 2 전도성 층(210)을 각기 (즉, 고정 전극 스택의 위와 아래에서) 적어도 부분적으로 덮고 있는 제 1 및 제 2의 선택적인 층(116, 216)의 두께는 0.1㎛, 전형적으로는 0.03 내지 0.3㎛ 사이, 0.05 내지 0.2㎛ 사이, 또는 0.07 내지 0.13㎛ 사이의 범위에 있다. 선택적인 절연 층(116, 216)은 실리콘 질화물(SiN)을 포함할 수 있다.
제 1 및 제 2 멤브레인 요소(102, 104) 및 대향 전극 구조체, 즉, 가동 및 정지 멤브레인/층은 원형, 타원형, 정사각형, 직사각형과 같은 (원주형의) 기하학적 형상을 가질 수 있으며, 1mm, 전형적으로는 0.1 내지 5mm 사이, 0.5 내지 2mm 사이, 또는 0.8 내지 1.5mm 사이의 범위의 측면 치수(평균 외경)을 가질 수 있다.
좁은 갭(112, 212)은 (바람직하게) 고정된 영역(즉, 제 1 및 제 2 스페이서 요소(113, 114)의 고정 영역)의 외부에 위치되며, 외부의 좁은 갭과 이와 연관된 고정 영역(즉, 제 1 전도성 층(110)에 대해 제 1 스페이서 요소, 및 제 2 전도성 층(210)에 대해 제 2 스페이서 요소)(의 인접한 가장자리) 사이의 거리(d1 또는 d2)는 10㎛, 전형적으로는 1 내지 20㎛ 사이, 5 내지 15㎛ 사이, 또는 8 내지 12㎛ 사이의 전형적인 범위 내에 있을 수 있지만, 예를 들어, 1㎛ 내지 각각의 멤브레인 요소(102, 104)의 반경의 절반까지 변할 수 있다.
적어도 하나 또는 두 개의 좁은 갭(112, 212)은 또한 고정 영역 내부에, 즉, 측면 돌출부를 기준으로, 제 1 또는 제 2 스페이서 요소(113, 114)의 아래(밑)에 위치될 수 있다. 그러나 제 1 및/또는 제 2 좁은 갭(112, 212)의 그러한 구성은 결과적인 대향 전극 구조체의 기계적인 견고성을 제공할 수 있지만, 기생 캐패시턴스를 증가시키는 결과를 가져올 수 있다.
다음으로, 좁은 갭(112, 212)의 몇몇 전형적인 치수가 남아 있는 기생 캐패시턴스에 미치는 결과적인 영향에 대해 기술된다. 좁은 갭(112, 212)의 측면 치수는 전형적으로 0.1 내지 10㎛ 사이, 1.0 내지 8㎛ 사이, 또는 3 내지 5㎛ 사이의 범위 내에 있다. 좁은 갭의 측면 치수는 제 1 및 제 2 전도성 층(110, 210)의 제 1 및 제 2 부분(110a-110b, 210a-210b) 사이의 거리를 말한다. 제 1 및 제 2 좁은 갭의 측면 치수는 남아 있는 기생 캐패시턴스(CP1 또는 CP2)를 최소화할 정도로 충분히 크게 선택된다. 제 1 및 제 2 전도성 층(110, 210) 내의 제 1 및 제 2 좁은 갭은, 대향 전극 구조체(108)에 수직한 돌출부를 기준으로, 서로 측방향으로 간격이 벌어질 수 있으며, 즉, 중첩하지 않는 구성으로 배열될 수 있다.
두 개의 좁은 갭(112, 212)의 그와 같은 중첩하지 않는 구성은 결과적인 대향 전극 구조체(108)의 임의의 기계적인 취약점을 피할 수 있게 한다. 그러나 측방향으로 벌어진 간격(거리(d3))은 남아 있는 기생 캐패시턴스(CP3)를 감소하기 위해 가능한 최소화되어야 한다. 그렇기 때문에, 거리(d3)의 전형적인 치수는 수 마이크로미터의 범위 내에 있다. 두 개의 좁은 갭(112, 212)은, 수직 돌출부를 기준으로, 제 1 및 제 2 스페이서 요소(113, 114)에 의해 형성되는 고정 영역 내부에 위치될 수 있다. 그러나, 남아 있는 기생 캐패시턴스(CP1, CP2)를 감소시키기 위해, 두 개의 좁은 갭(112, 212) 중 적어도 하나는 고정 영역(115, 117) 외부에 위치되어야 한다(예를 들어, 도 6a-b 참조).
제 1 및 제 2 전도성 층(110, 210) 사이에 남아 있는 기생 캐패시턴스(CP3) 사이의 균형을 제공하기 위해, 제 1 및 제 2 좁은 갭(112, 212) 사이의 거리(d3)는, 예를 들어, 도 6b의 아래에 표시된 바와 같이 "위치가 반대로(inverted)"될 수 있다.
(수직 돌출부를 기준으로) 제 1 및 제 2 좁은 갭(112, 212)의 임의의 교차를 피하기 위해, 예를 들어, 벌어진 간격의 (거리(d3)의) 위치는 각 전극(제 1 또는 제 2 전도성 층(110, 210)) 내의 홀의 레벨에서 또는 각 전극이 고정되어 있는 경우라면, 전극(제 1 또는 제 2 전도성 층(110, 210))의 경계부에서 반대로 될 수 있다. 전극(예를 들어, 분리 목적을 위한 제 1 및/또는 제 2 전도성 층(110, 210)) 내의 홀의 경우에, 각 좁은 갭(112, 212)(분할부)은 전형적으로 또는 적어도 0.5 ㎛의 거리를 두고 이들 홀을 피해야 한다. 분할부 선의 형상은, 예를 들어, 분할부 선(좁은 갭)의 사인파 모양으로 홀을 피하도록 조정될 수 있다.
도 6a 내지 도 6c는 제 1 및 제 2 전도성 층(110, 210) 내에서 측방향으로 간격이 벌어진 분할부 홈/갭(112, 212)을 포함하는 분할된 대향 전극 구조체(108) 또는 그의 일부분의 개략적인 평면도를 도시한다.
도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, (거의 닫힌) 제 1 전도성 층(110) 내의 원주형의 좁은 갭(112)은, 제 2 전도성 층(210) 내의 원주형의 좁은 갭(212)에 수직한 돌출부를 기준으로, 제 2 전도성 층(210) 내의 원주형의 좁은 갭(212)에 측방향으로 간격이 벌어져 있다. 그래서, 제 1 및 제 2 전도성 층 내의 제 1 및 제 2 좁은 갭(112, 212)은 (제 2 전도성 층(210) 내의 원주형의 좁은 갭(212) 위쪽의 제 1 전도성 층(110) 내의 원주형의 좁은 갭(112)의 수직 돌출부를 기준으로) 중첩하지 않는 구성으로 배열된다. 따라서, 제 1 및 제 2 전도성 층(110, 210) 내의 제 1 및 제 2 원주형의 좁은 갭(112, 212)의 중첩하지 않는 구성이 성취된다.
도 6a 내지 도 6c와 관련하여, 표시된 원주형 좁은 제 1 및 제 2 좁은 갭(112, 212)은 도 6a 내지 도 6c의 도면 평면을 기준으로 상이한 (수직방향으로 간격이 떨어진) 평면에 위치된다는 것을 유의하여야 한다. 고정된 영역은 제 1 멤브레인 요소(102)와 대향 전극 구조체(108) 사이, 그리고 제 2 멤브레인 요소(104)와 대향 전극 구조체(108) 사이에서 스페이서 요소(113, 114)의 영역을 정의한다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 접속 요소(118, 120)(즉, 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(102, 104) 각각과의 배선)는 대향 전극 구조체(108)의 동일한 측면 영역에 위치된다.
도 6b에 도시된 바와 같이, 대향 전극 구조체(108)는 대향 전극 구조체(108)의 직교하는 방향으로 마주하는 두 곳의 위치에 있는 두 개의 접촉 영역을 포함한다. 도 6b의 이러한 구성에 기초하여, 제 1 원주형의 좁은 갭(112)은 제 1 및 제 2 부분 갭(112a, 112b)으로 분리될 수 있으며, 제 2 원주형의 좁은 갭(212)은 제 1 및 제 2 부분 갭(212a, 212b)으로 분리될 수 있다. 제 1 좁은 갭(112a, 112b)이 고정 영역(115, 117)까지의 각 거리를 기준으로 또는 대향 전극 구조체(108)의 경계를 기준으로, 그리고 서로에 대해 제 2 부분 갭(112b, 212b)의 거울형 구성으로 인해, "거울형 구성"으로 배열되므로, 제 1 및 제 2 전도성 층 사이의 남아 있는 기생 캐패시턴스는 (근본적으로) 균형을 이룰 수 있다. 보다 구체적으로, 대향 전극 구조체의 경계를 기준으로 제 1 및 제 2 원주형의 좁은 갭(112(= 112a + 112b), 212(= 212a + 212b))의 "벌어진 간격의 위치가 반대로 되는 것"은 잔류 기생 캐패시턴스를 균형 맞추기 위해 형성된다.
대향 전극 구조체(108)의 부분 확대도와 관련하여 도 6c에 도시된 바와 같이, 개구 또는 홀(108a)은 제 1 및 제 2 전도성 층(110, 210) 중의 적어도 하나의 전도성 층에서 제공될 수 있다. 제 1 및/또는 제 2 전도성 층(110, 210) 내의 홀(108a)은 예를 들어, 응력 제거 때문에 제공될 수 있다. 결과적인 대향 전극 구조체(108)의 기계적인 견고성의 원하지 않은 감소를 회피하기 위하여, 제 1 및 제 2 원주형의 좁은 갭(112, 212)은 대향 전극 구조체(108)의 제 1 및/또는 제 2 전도성 층(110, 210) 내의 홀(들)(108a)끼리의 접속하거나 교차하는 것을 피하기 위해 만곡부 모양(sinus-like)의 경로와 같은 경로를 가질 수 있다. 도 6c에 도시된 바와 같이, 제 1 및 제 2 (수직방향으로 간격이 벌어진) 원주형의 좁은 갭(112, 212)은 만곡부 모양의 분할부 선처럼 배열된다. 제 1 및/또는 제 2 원주형의 좁은 갭(112, 212)이 대향 전극 구조체(108) 내의 복수의 홀끼리 적어도 접촉하거나 교차하는 것을 피하기 위해, 각각의 분할부 선의 임의의 다른 적절한 형상, 예를 들어, 지그재그 등이 선택되어 이런 형상으로 조정될 수 있다는 것을 주목하여야 한다. 이런 이유로, 제 1 및 제 2 좁은 갭(112, 212) 사이의 거리(d3)는 홀(108a)의 직경보다 크고 길이(L)(홀(108a)의 직경 더하기 홀(108a) 사이의 거리)보다 작아야 한다.
제 1 및/또는 제 2 전도성 층(110, 210) 내 분할부 선의 형상에 대한 상기 설명은 아래에서 도 8a 및 도 8b와 관련하여 기술되는 바와 같이 분할부가 제 1 및/또는 제 2 멤브레인 요소(102, 104) 내에 제공되는 사례에 대응적으로 적용 가능하다.
도 7a 및 도 7d는 전술한 MEMS 디바이스(100)(진공 MEMS 마이크로폰)의 여러 예시적인 판독 구성을 예시하는 개략적인 여러 회로도를 도시한다.
도 7a는 활성 전도성 층(110)을 가진 대향 전극 구조체(108)를 갖는 MEMS 디바이스(100)의 다른 예시적인 판독 구성을 예시하는 개략적인 회로도를 도시한다.
도 7a에 도시된 바와 같이, 제 1 전도성 층(110)의 제 1 부분(110a)은 제 1 부분(110a)이 전압(V1)으로 분극되도록 전위(V1)에 연결되어 있다. 가동 구조체(102, 104), 즉, 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(102, 104)는 차동 증폭기(306)에 의해 판독되며, 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(102, 104)는 각기 차동 증폭기(306)의 상이한 입력 접속부에 접속되며, 차동 증폭기는 출력 신호(SOUT)를 제공한다. 그러므로 도 7a는 하나의 전도성 층을 갖는 진공 MEMS 마이크로폰의 차동 판독 구성을 제공한다.
도 7a의 구성과 관련하여, 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(102, 104) 사이에 기계적인 결합을 제공하기 위해 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(102, 104) 사이에 기계적으로 결합되는 필라(122)(도 7a에는 도시되지 않음)는 차동 판독 구성을 가능하도록 하기 위해 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(102, 104) 사이의 전기적 접속을 제공하지 않아야 한다는 것을 주목하여야 한다. 그래서 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(102, 104) 사이에 기계적인 결합을 보장하는 필라(122)는 두 멤브레인 요소 사이에 전기적 접속을 제공하지 않으며, 만일 필라의 전도성 부분이 절연 물질에 의해 멤브레인 요소(102, 104)로부터 분리된다면, 필라(122)는 실리콘, 질화물, 실리콘 산화물, 중합체 또는 앞의 물질의 조합, 또는 앞의 물질과 전도성 층(예를 들어, 실리콘)과의 조합과 같은 절연 물질로 구성될 수 있다.
대향 전극 구조체(108)로서 단일의 전도성 층(110)을 갖는 진공 MEMS 마이크로폰(100)의 차동 판독 구성과 관련하여, (단일의) 전도성 층(110), 즉, 대향 전극은 외부 부분(110b)과 내부 부분(110a)으로 분리되고, 외부 부분(110b)은 전기적으로 분리된 두 부분(110b-1, 110b-2)을 포함한다는 것을 주목하여야 한다. 그래서 단일의 전도성 층의 전기적으로 분리된 외부 부분(110b-1, 110b-2)은 두 멤브레인 요소(102, 104)의 단락을 피하기 위해 각기 가동 멤브레인 요소(102, 104) 중의 하나에 전기적으로 접속된다. 대향 전극(110)의 내부 부분(110a)을 바이어싱함으로써, 두 멤브레인 요소(102, 104)는 차동적으로 판독될 수 있다.
대안의 가능한 구현으로서, 가동 멤브레인 요소(102)는 단일의 전도성 층(110)의 외부 부분(110b)(예를 들어, 한 부분)에 전기적으로 접속될 수 있으며, 다른 멤브레인 요소(104)는 단일의 전도성 층(110)의 다른 부분(110b)에 전기적으로 접속되지 않는다. 다른 가능한 구현으로서, 가동 멤브레인 요소(104)는 단일의 전도성 층(110)의 외부 부분(110b)(예를 들어, 한 부분)에 전기적으로 접속될 수 있으며, 다른 멤브레인 요소(102)는 단일의 전도성 층(110)의 외부 부분(110b)에 접속되지 않는다.
도 7b는 MEMS 마이크로폰이 전력 공급 회로 및 판독 증폭기에 전기적으로 연결될 수 있는 방법의 예를 개략적으로 예시한다. 도 7b는 가능한 접속의 예를 도시하며, 다른 배열 및 구성도 마찬가지로 가능할 수 있다.
도 7b에서, 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(102, 104)는 멤브레인 접속부(302)에 의해 전기 기준 전위(VREF)(예를 들어, 접지 전위)에 접속될 수 있다(예를 들어, 접지될 수 있다). 제 1 전도성 층의 제 1 부분(110a)은 전기적으로 제 1 전력 공급 회로(307)에 접속된 제 1 접속부(304)에 접속되고 또한 증폭기(306)의 제 1 입력에도 접속될 수 있다. 제 1 전력 공급 회로(307)는 (제 1 전위(V1)를 제공하는) 전압원(308) 및 아주 높은 저항(수 기가 옴(Giga-Ohm) 또는 그 이상)을 가진 저항(310)을 포함한다. 증폭기(306)는 차동 증폭기일 수 있다. 제 2 전도성 층(210)의 제 1 부분(210a)은 제 2 전력 공급 회로(313)에 접속된 제 2 접속부(312) 및 증폭기(306)의 제 2 입력에 접속될 수 있다. 제 2 전력 공급 회로(313)는 (제 2 전위(V2)를 제공하는) 제 2 전압원(314) 및 전형적으로 제 1 저항(310)과 대략 동일한 저항을 갖는 제 2 저항(316)을 포함한다. 제 1 및 제 2 전력 공급 회로(307, 313)는 제 1 및 제 2 전도성 층(110, 210)의 제 1 부분(110a, 210a)을 각기 전기 기준 전위(VREF)(예를 들어, 접지 전위)에 대해 전기적으로 바이어싱한다.
멤브레인 구조체가 도달하는 음압에 응답하여 편향될 수 있을 때, 제 1 및 제 2 전도성 층(110, 210)의 제 1 부분(110a, 210a)에서 전기 전위는 제 1 멤브레인 요소(102)와 제 1 전도성 층(110)의 제 1 부분(110a) 사이 그리고 제 2 멤브레인 요소(104)와 제 2 전도성 층(210)의 제 1 부분(210a) 사이에서 각기 변하는 캐패시턴스(CA, CB)로 인하여 반대 방향으로 변할 수 있다. 이것은 7b에서 증폭기(306)의 제 1 및 제 2 입력에 각기 공급될 수 있는 제 1 파형(317) 및 제 2 파형(318)에 의해 개략적으로 예시된다. 증폭기(306)는 입력 신호에 기초하여 제 1 및 제 2 접속부(304 및 312)에서 증폭된 출력 신호(320), 특히 입력 신호의 차를 발생할 수 있다. 그런 다음 증폭된 출력 신호(320)는 후속 신호 처리, 예를 들어, 아날로그-디지털 변환, 필터링 등을 위해 다른 컴포넌트로 공급될 수 있다.
도 7c는 MEMS 디바이스(100)의 예시적인 다른 판독 구성의 개략적인 다른 회로도를 도시한다. 도 7c에 도시된 바와 같이, 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(102, 104)는 기준 전위(V)를 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(102, 104)에 공급하는 전압원(350)에 접속된다. 이렇게 하여 가동 구조체, 즉, 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(102, 104)가 전위(V)으로 분극된다. 또한, 제 1 및 제 2 전도성 층(110, 210)의 제 1 부분(110a, 210a)은 MEMS 디바이스(100)(진공 MEMS 마이크로폰)의 차동 판독 구성을 제공하는 차동 증폭기(306)의 상이한 입력 접속부에 각기 접속된다. 따라서, 도 7c의 구성에 따르면, 도달하는 음압/음향 신호에 응답하여 멤브레인 구조체(102, 104)의 편향되며, 이에 대응하여 가동 구조체(102, 104)의 전류 편향을 나타내는 출력 신호(SOUT)가 증폭기(306)에 의해 제공될 수 있다.
따라서, 가동 부분(102, 104)(즉, 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(102, 104))은 전압(V1)으로 분극되며, 고정 전극(108), 즉, 제 1 및 제 2 전도성 층(110, 210)의 제 1 부분(110a, 210a)에 대해 차동 감지/판독이 수행된다.
도 7d는 MEMS 디바이스(100)의 예시적인 다른 판독 구성의 개략적인 회로도를 도시한다. 보다 구체적으로, 도 7d에 도시된 바와 같이, 제 1 전도성 층의 제 1 부분(110a)은 제 1 전위(V1)에 접속되며, 즉, 제 1 전압(V1)으로 분극되며, 제 2 전도성 층(210)의 제 1 부분(210a)은 제 2 전위(V2)에 접속되어, 제 2 전도성 층의 제 1 부분(210a)이 제 2 전압(V2)으로 분극된다.
가동 구조체(102, 104), 즉, 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(102, 104)는 구성되는 단일 종단형(single-ended) 판독에 기초하여 증폭된 출력 신호(SOUT)를 제공하는 (단일 종단형) 증폭기(309)의 공통 입력 접속부에 접속된다. 제 1 및 제 2 전도성 층(110, 210)의 제 1 부분(110a, 210a)의 분극으로 인하여, 멤브레인 요소(102, 104)가 편향됨으로써 결과적으로 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(102, 104)에서 전기 전위가 생기며, 이 전위는 중첩 방식으로 증폭기(309)의 입력에 공급될 수 있다.
요약하면, 고정 멤브레인(대향 전극 구조체(108))의 두 전극(제 1 및 제 2 전도성 층(110, 210)의 제 1 부분(110a, 210a)은 상이한 전압(V1, V2)으로, 예를 들어, 반대의 전압(V2 = -V1)으로 분극된다. 이로 인하여, 가동 구조체는 단일 종단형 증폭기 구성(단일 종단형 판독)에 기초하여 판독될 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 제 1 분할된 멤브레인 요소(402) 및 제 2 분할된 멤브레인 요소(404)를 포함하는 예시적인 다른 MEMS 디바이스, 예를 들어, MEMS 음향 변환기(진공 MEMS 마이크로폰 또는 MEMS 진공 확성기)의 개략적인 단면도를 도시한다.
MEMS 디바이스(진공 MEMS 마이크로폰)(400)는 제 1 멤브레인 요소(402), 및 제 1 멤브레인 요소(402)로부터 이격된 제 2 멤브레인 요소(404)를 포함한다. 저압 구역(406)은 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(402, 404) 사이에 위치되며, 저압 구역(406)은 주변 압력보다 적은 압력을 갖는다. 대향 전극 구조체(408)는 적어도 부분적으로 저압 구역(406) 내에서 배열되거나 또는 저압 구역(406) 내에서 연장하는 전도성 층(410)을 포함한다. 제 1 멤브레인 요소(402)는 제 1 멤브레인 요소(402)의 제 1 부분(402a)과 제 1 멤브레인 요소(402)의 제 2 부분(402b) 사이에서 전기적 분리를 제공하는 분할부(412)를 포함한다. 제 2 멤브레인 요소(404)는 제 2 멤브레인 요소(404)의 제 1 부분(404a)과 제 2 멤브레인 요소(404)의 제 2 부분(404b) 사이에서 전기적 분리를 제공하는 분할부(424)를 포함한다.
제 1 멤브레인 요소(402)의 분할부(412)는 제 1 멤브레인 요소(402) 내의 원주형의 좁은 갭이며, 제 2 멤브레인 요소(404)의 분할부(424)는 제 2 멤브레인 요소(404) 내의 추가의 (제 2) 원주형의 좁은 갭이다. 제 1 멤브레인 요소(402)의 제 1 부분(402a)은 제 1 멤브레인 요소(402)의 중간 또는 중앙 부분이며, 제 1 멤브레인 요소(402)의 제 2 부분(402b)은 제 1 멤브레인 요소(402)의 테두리/가장자리 부분이다. 제 2 멤브레인 요소(404)의 제 1 부분(404a)은 제 2 멤브레인 요소(404)의 중간 또는 중앙 부분이며, 제 2 멤브레인 요소(404)의 제 2 부분(404b)은 제 2 멤브레인 요소(404)의 테두리/가장자리 부분이다. 도 8a에 도시된 바와 같이, 제 1 멤브레인 요소(402)는 적어도 부분적으로 분리 물질(416)로 덮이거나 매립될 수 있으며, 제 2 멤브레인 요소(404)는 추가의 절연 물질(420)로 덮이거나 매립될 수 있다.
제 1 멤브레인 요소(402)의 제 1 부분(402b) 및 제 2 멤브레인 요소(404)의 제 2 부분(404b)은 제 1 및 제 2 접속부(422, 423)에 의해 전도성 층(410)에 전기적으로 접속된다.
따라서, 접속 요소(422, 423)는 고정 전극(들)(410)과 분할된 멤브레인(402, 404)의 외부 부분(402b, 404b) 사이에 전기적 접속부를 제공한다. 도 8a에 도시된 바와 같이, 대향 전극 구조체(408)(백플레이트)는 평범한 균일의 전도성 층(410)일 수 있다.
MEMS 디바이스(400)는 또한 제 1 멤브레인 요소 및 제 2 멤브레인 요소(402, 404)를 기계적으로 결합하기 위한 하나 이상의 필라(도 8a 및 도 8b에는 도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 대향 전극 구조체(408)가 단일의 전도성 층(410)을 갖는 경우에, 필라(도 8a에 도시되지 않음)는 두 멤브레인 요소(402, 404) 사이에서 기계적인 결합은 보장하지만 전기적인 접속을 보장하지 않는다. 그래서 필라는 적어도 부분적으로 절연 물질로 구성될 수 있다.
또한, 제 1 스페이서 요소(413)는 제 1 멤브레인 요소(402)와 대향 전극 구조체(408) 사이에 배열되며, 제 2 스페이서 요소(414)는 제 2 멤브레인 요소(404)와 대향 전극 구조체(408) 사이에 배열된다. 또한, 제 1 멤브레인 요소(402) 내의 원주형의 좁은 갭(412)은 제 1 스페이서 요소(413)의 외부에 배치되며, 제 2 멤브레인 요소(404) 내의 제 2 원주형의 좁은 갭(424) 역시 제 2 스페이서 요소(414)의 외부에 배치된다.
도 8b에 도시된 바와 같이, 대향 전극 구조체(408)는 추가의 전도성 층(411)을 포함할 수 있으며, 제 2 전도성 층(411)은 절연 층(415)에 의해 전도성 층(410)과 전기적으로 분리된다.
제 1 멤브레인 요소(402)의 제 2 부분(402b)은 예를 들어, 접속부 또는 배선(422)에 의해, 전도성 층(410)과 전기적으로 연결되며, 제 2 멤브레인 요소(404)의 제 2 부분(404b)은 예를 들어, 전기 접속 요소 또는 배선(423)에 의해 제 2 전도성 층(411)에 전기적으로 접속된다. 또한, 제 1 및 제 2 전도성 층(410411) 사이에는 선택적인 전기 접속부(430)가 제공될 수 있다.
그뿐만 아니라, 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(402, 404) 사이에 기계적인 결합을 제공하는 하나 이상의 필라(도 8b에 도시되지 않음) 또한 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(402, 404) 사이, 및 특히 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(402, 404)의 제 1 부분(402a, 404a) 사이에 전기적 접속을 제공하기 위해 전기적으로 전도성일 수 있다.
도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같은 진공 MEMS 마이크로폰과 관련하여, 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같은 MEMS 디바이스(100)의 차동판독 구성은 도 8a 및 도 8b와 관련하여 기술된 바와 같은 진공 MEMS 마이크로폰(400)에 대응적으로 적용 가능하다는 것을 주목하여야 한다.
(도 1 내지 도 7에 도시된 바와 같은) MEMS 디바이스(100 및 200)의 대향 전극 구조체(108) 및 (도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같은) MEMS 디바이스(400)의 멤브레인 요소(402, 404)의 특정 분할부를 제외하고, (도 8a 및 도 8b의) MEMS 디바이스(400)의 요소의 특성, 치수 및 물질은 (도 1 내지 도 7의) MEMS 디바이스(100 또는 200)의 요소와 비교 가능하다. 보다 구체적으로, 도면 및 명세서에서, 동일한 요소 및 동일한 기능성 및/또는 동일한 기술 또는 물리적 효과를 갖는 요소는 일반적으로 동일한 참조 부호 및/또는 동일한 명칭을 부여받으며, 그래서 여러 실시예에서 예시되는 바와 같이 이들 요소 및 이들의 기능성에 관한 설명은 여러 실시예에서 같은 의미로 사용되거나 서로에 적용될 수 있다.
더욱이, 근본적으로 동일한 또는 (적어도) 비교 가능한 판독 구성은 도 1 내지 도 7에 도시된 바와 같은 MEMS 디바이스(100 및 200), 및 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같은 MEMS 디바이스(400)에 적용될 수 있다. 예를 들어, 도 7a 내지 도 7d의 구현된 판독 구성과 비교할 때, 도 8a 및 도 8b의 MEMS 디바이스(400)의 가능한 판독 구성은, 예를 들어, 멤브레인 및 대향 전극 각각의 기준 전위(V) 및 판독 회로와의 접속과 관련하여 멤브레인과 대향 전극 간의 (단지) 위치 바꿈(또는 교환)만을 포함할 수 있다.
예를 들어, 도 8a의 MEMS 디바이스(400)의 경우, 전도성 층(410)은 분극될 수 있으며, 즉, 기준 전위(V)를 제공 받을 수 있으며, (전기적으로 접속되지 않은) 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(402, 404)는 차동적으로 판독될 수 있다. 이와 달리, 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(402, 404)는 분극될 수 있으며, 즉, 기준 전위(V)를 제공받을 수 있으며, 전도성 층(410)은 단일 종단형으로 판독될 수 있다.
도 8b의 MEMS 디바이스(400)의 경우, 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(402, 404)는 분극될 수 있고, 즉, 기준 전위(V)를 제공 받을 수 있고, 전기적으로 접속될 수 있으며, (전기적으로 접속되지 않은) 제 1 및 제 2 전도성 층(401, 411)은 차동적으로 판독될 수 있다. 이와 달리, 도 8b의 MEMS 디바이스(400)의 경우, (전기적으로 접속되지 않은) 제 1 및 제 2 전도성 층(410, 411)은 차동적으로 분극될 수 있으며, 즉, 상이한 기준 전위(V1, V2)를 제공 받을 수 있으며, (전기적으로 접속될 수 있는) 제 1 및 제 2 멤브레인 요소(402, 404)는 단일 종단형으로 판독될 수 있다.
본 발명 및 본 발명의 장점이 상세하게 기술되었지만, 부속된 특허청구범위에 의해 정의된 바와 같은 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않고 본 명세서에서 다양한 변화, 대체 및 변경이 이루어질 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
또한, 본 출원의 범위는 명세서에 기술된 공정, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법 및 단계의 특정 실시예로 제한하려 의도되지 않는다. 본 기술에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 개시로부터 쉽게 인식될 것이므로, 본 명세서에서 기술된 대응하는 실시예와 실질적으로 동일한 기능을 수행하거나 실질적으로 동일한 결과를 성취하는 현존하거나 향후 개발될 공정, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법 또는 단계는 본 발명에 따라서 이용될 수 있다. 따라서, 부속된 청구범위는 청구범위의 범위 내에서 그와 같은 공정, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법 또는 단계를 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (58)

  1. MEMS 디바이스로서,
    제 1 멤브레인 요소와,
    상기 제 1 멤브레인 요소로부터 이격된 제 2 멤브레인 요소와,
    상기 제 1 및 제 2 멤브레인 요소 사이의 저압 구역 - 상기 저압 구역은 대기압보다 낮은 압력을 가짐 - 과,
    적어도 부분적으로 상기 저압 구역 내에 배열되거나 상기 저압 구역 내에서 연장되는 전도성 층을 포함하는 대향 전극 구조체(counter electrode structure) - 상기 전도성 층은 상기 전도성 층의 제 1 부분과 상기 전도성 층의 제 2 부분 사이에 전기적인 분리(electrical isolation)를 제공하는 분할부(segmentation)를 포함함 - 를 포함하는
    MEMS 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 층의 상기 분할부는 상기 전도성 층 내의 원주형의 좁은 갭인
    MEMS 디바이스.

  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 멤브레인 요소는 변위 가능한 부분(displaceable portion) 및 고정 부분을 포함하고, 상기 제 2 멤브레인 요소는 변위 가능한 부분 및 고정 부분을 포함하며, 상기 전도성 층의 상기 제 1 부분은 상기 제 1 멤브레인 요소의 상기 변위 가능한 부분과 상기 제 2 멤브레인 요소의 상기 변위 가능한 부분 사이에 배열되는
    MEMS 디바이스.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 층의 상기 제 1 부분은 상기 전도성 층의 중앙 부분이며, 상기 전도성 층의 상기 제 2 부분은 상기 전도성 층의 테두리 부분인
    MEMS 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 층의 상기 제 2 부분은 상기 제 1 멤브레인 요소 및 상기 제 2 멤브레인 요소에 전기적으로 연결되는
    MEMS 디바이스.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 멤브레인 요소는 기계적으로 결합되는
    MEMS 디바이스.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 멤브레인 요소는 전기적으로 연결되는
    MEMS 디바이스.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 멤브레인 요소와 상기 제 2 멤브레인 요소 사이에 하나 이상의 필라(pillar)가 기계적으로 결합되는
    MEMS 디바이스.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 저압 구역 내의 상기 압력은 실질적으로 진공인
    MEMS 디바이스.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 저압 구역은 상기 제 1 멤브레인 요소와 상기 제 2 멤브레인 요소 사이에 형성된 밀봉된 공동부(sealed cavity) 내에 있는
    MEMS 디바이스.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 대향 전극 구조체는 추가의 전도성 층을 포함하며, 추가의 분할부가 상기 추가의 전도성 층의 제 1 부분과 상기 추가의 전도성 층의 제 2 부분 사이에 전기적인 분리를 제공하며, 상기 추가의 전도성 층의 상기 제 1 부분은 상기 전도성 층의 상기 제 1 부분으로부터 전기적으로 분리되는
    MEMS 디바이스.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 멤브레인 요소 사이에 하나 이상의 필라가 기계적으로 결합되며, 상기 하나 이상의 필라는 상기 제 1 및 제 2 멤브레인 요소 사이에 기계적 및 전기적인 결합을 제공하기 위해 전기적으로 전도성인
    MEMS 디바이스.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 추가의 전도성 층의 상기 제 1 부분은 상기 추가의 전도성 층의 중앙 부분이며, 상기 추가의 전도성 층의 상기 제 2 부분은 상기 추가의 전도성 층의 테두리 부분인
    MEMS 디바이스.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 멤브레인 요소는 변위 가능한 부분 및 고정 부분을 포함하고, 상기 제 2 멤브레인 요소는 변위 가능한 부분 및 고정 부분을 포함하며, 상기 전도성 층의 상기 제 1 부분은 상기 제 1 멤브레인 요소의 상기 변위 가능한 부분과 마주보며, 상기 추가의 전도성 층의 상기 제 1 부분은 상기 제 2 멤브레인 요소의 상기 변위 가능한 부분과 마주보는
    MEMS 디바이스.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 전도성 층의 상기 제 2 부분은 상기 제 1 멤브레인 요소에 전기적으로 연결되며, 상기 추가의 전도성 층의 상기 제 2 부분은 상기 제 2 멤브레인 요소에 전기적으로 연결되는
    MEMS 디바이스.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 추가의 전도성 층의 상기 분할부는 상기 추가의 전도성 층 내의 원주형의 좁은 갭인
    MEMS 디바이스.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 멤브레인 요소와 상기 전도성 층 사이에 제 1 스페이서 요소가 배열되고, 상기 제 2 멤브레인 요소와 상기 추가의 전도성 층 사이에 제 2 스페이서 요소가 배열되며, 상기 전도성 층 내의 상기 원주형의 좁은 갭은 상기 제 1 스페이서 요소의 외부에 배치되고 상기 추가의 전도성 층 내의 상기 원주형의 좁은 갭은 상기 제 2 스페이서 요소의 외부에 배치되는
    MEMS 디바이스.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 전도성 층 내의 상기 원주형의 좁은 갭은, 수직 돌출부를 기준으로, 상기 추가의 전도성 층 내의 상기 원주형의 좁은 갭에 대해 측면으로 오프셋되는
    MEMS 디바이스.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 전도성 층 내의 상기 원주형의 좁은 갭 및 상기 추가의 전도성 층 내의 상기 원주형의 좁은 갭은 중첩하지 않는 구성으로 배열되는
    MEMS 디바이스.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 전도성 층 내의 상기 원주형의 좁은 갭 및 상기 추가의 전도성 층 내의 상기 원주형의 좁은 갭 중의 적어도 하나는 분리 물질로 완전히 채워지는
    MEMS 디바이스.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 MEMS 디바이스는 MEMS 마이크로폰인
    MEMS 디바이스.
  22. 제 8 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 필라는 상기 제 1 멤브레인 요소와 상기 제 2 멤브레인 요소 사이의 전기적인 분리를 제공하기 위한 전기적 절연 물질을 포함하는
    MEMS 디바이스.
  23. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 멤브레인 요소의 편향(deflection) 및 상기 제 2 멤브레인 요소의 편향에 의해 생성된 신호를 처리하도록 구성된 회로를 더 포함하는
    MEMS 디바이스.
  24. 제 1 항에 있어서,
    상기 대향 전극 구조체의 상기 전도성 층의 상기 제 1 부분을 제 1 전압(V1)으로 바이어싱하는 제 1 전압원과,
    상기 제 1 멤브레인 요소의 편향 및 상기 제 2 멤브레인 요소의 편향에 의해 생성된 신호를 판독하는 판독 회로를 더 포함하는
    MEMS 디바이스.
  25. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 층은 제 1 전도성 층 및 제 2 전도성 층을 포함하고,
    상기 MEMS 디바이스는
    상기 제 1 전도성 층의 제 1 부분을 제 1 전압(V1)으로 바이어싱하는 제 1 전압원과,
    상기 제 2 전도성 층의 제 1 부분을 제 2 전압(V2)으로 바이어싱하는 제 2 전압원과,
    상기 제 1 멤브레인 요소의 편향 및 상기 제 2 멤브레인 요소의 편향에 의해 생성된 신호를 판독하는 판독 회로를 더 포함하는
    MEMS 디바이스.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 제 1 전도성 층의 상기 제 1 부분과 상기 제 2 전도성 층의 상기 제 1 부분은 전기적으로 연결되지 않고, 상기 제 1 전압(V1)과 상기 제 2 전압(V2)은 상이한
    MEMS 디바이스.

  27. 제 25 항에 있어서,
    상기 제 1 전도성 층의 제 2 부분과 상기 제 2 전도성 층의 제 2 부분은 상기 제 1 및 제 2 멤브레인 요소에 전기적으로 연결된
    MEMS 디바이스.
  28. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 멤브레인 요소 및 상기 제 2 멤브레인 요소를 기준 전위로 바이어싱하는 기준 전압원과,
    상기 제 1 멤브레인 요소의 편향 및 상기 제 2 멤브레인 요소의 편향에 의해 생성된 신호를 판독하는 판독 회로를 더 포함하는
    MEMS 디바이스.
  29. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 멤브레인 요소를 제 1 전압(V1)으로 바이어싱하는 제 1 전압원과,
    상기 제 2 멤브레인 요소를 제 2 전압(V2)으로 바이어싱하는 제 2 전압원과,
    상기 제 1 멤브레인 요소의 편향 및 상기 제 2 멤브레인 요소의 편향에 의해 생성된 신호를 판독하는 판독 회로를 더 포함하는
    MEMS 디바이스.
  30. MEMS 디바이스로서,
    제 1 멤브레인 요소와,
    상기 제 1 멤브레인 요소로부터 이격된 제 2 멤브레인 요소와,
    상기 제 1 및 제 2 멤브레인 요소 사이의 저압 구역 - 상기 저압 구역은 대기압보다 낮은 압력을 가짐 - 과,
    적어도 부분적으로 상기 저압 구역 내에 배열되거나 상기 저압 구역 내에서 연장되는 제 1 전도성 층을 포함하는 대향 전극 구조체를 포함하되,
    상기 제 1 멤브레인 요소는 상기 제 1 멤브레인 요소의 제 1 부분과 상기 제 1 멤브레인 요소의 제 2 부분 사이에 전기적인 분리를 제공하는 분할부를 포함하며,
    상기 제 2 멤브레인 요소는 상기 제 2 멤브레인 요소의 제 1 부분과 상기 제 2 멤브레인 요소의 제 2 부분 사이에 전기적인 분리를 제공하는 추가의 분할부를 포함하는
    MEMS 디바이스.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 제 1 멤브레인 요소의 상기 분할부는 상기 제 1 멤브레인 요소 내의 원주형의 좁은 갭이며, 상기 제 2 멤브레인 요소의 상기 분할부는 상기 제 2 멤브레인 요소 내의 원주형의 좁은 갭인
    MEMS 디바이스.
  32. 제 30 항에 있어서,
    상기 제 1 멤브레인 요소의 상기 제 1 부분은 상기 제 1 멤브레인 요소의 중앙 부분이고, 상기 제 1 멤브레인 요소의 상기 제 2 부분은 상기 제 1 멤브레인 요소의 테두리 부분이며, 상기 제 2 멤브레인 요소의 상기 제 1 부분은 상기 제 2 멤브레인 요소의 중앙 부분이고, 상기 제 2 멤브레인 요소의 상기 제 2 부분은 상기 제 2 멤브레인 요소의 테두리 부분인
    MEMS 디바이스.
  33. 제 30 항에 있어서,
    상기 제 1 멤브레인 요소의 상기 제 1 부분 및 상기 제 2 멤브레인 요소의 상기 제 1 부분은 상기 제 1 전도성 층에 전기적으로 연결되는
    MEMS 디바이스.
  34. 제 30 항에 있어서,
    상기 제 1 멤브레인 요소와 상기 제 2 멤브레인 요소 사이에 하나 이상의 필라가 기계적으로 결합되는
    MEMS 디바이스.
  35. 제 30 항에 있어서,
    상기 대향 전극 구조체는 상기 제 1 전도성 층과 전기적으로 분리되는 추가의 전도성 층을 포함하며, 상기 제 1 멤브레인 요소의 상기 제 2 부분은 상기 제 1 전도성 층에 전기적으로 접속되고, 상기 제 2 멤브레인 요소의 상기 제 2 부분은 상기 추가의 전도성 층에 전기적으로 접속되는
    MEMS 디바이스.
  36. 제 35 항에 있어서,
    상기 제 1 멤브레인 요소와 상기 제 2 멤브레인 요소 사이에 하나 이상의 필라가 기계적으로 결합되며, 상기 하나 이상의 필라는 상기 제 1 및 제 2 멤브레인 요소 사이에서 기계적 및 전기적인 결합을 제공하도록 전기적으로 전도성인
    MEMS 디바이스.
  37. 제 31 항에 있어서,
    상기 제 1 멤브레인 요소와 상기 대향 전극 구조체 사이에 제 1 스페이서 요소가 배열되고, 상기 제 2 멤브레인 요소와 상기 대향 전극 구조체 사이에 제 2 스페이서 요소가 배열되며, 상기 제 1 멤브레인 요소 내의 상기 원주형의 좁은 갭은 상기 제 1 스페이서 요소의 외부에 배치되고 상기 제 2 멤브레인 요소 내의 상기 원주형의 좁은 갭은 상기 제 2 스페이서 요소의 외부에 배치되는
    MEMS 디바이스.
  38. 제 30 항에 있어서,
    상기 MEMS 디바이스는 MEMS 마이크로폰인
    MEMS 디바이스.
  39. 제 34 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 필라는 상기 제 1 멤브레인 요소와 상기 제 2 멤브레인 요소 사이의 전기적인 분리를 제공하기 위한 전기적 절연 물질을 포함하는
    MEMS 디바이스.
  40. 제 30 항에 있어서,
    상기 제 1 멤브레인 요소의 편향 및 상기 제 2 멤브레인 요소의 편향에 의해 생성된 신호를 처리하도록 구성된 회로를 더 포함하는
    MEMS 디바이스.
  41. 제 30 항에 있어서,
    상기 대향 전극 구조체의 상기 제 1 전도성 층을 기준 전압으로 바이어싱하는 기준 전압원과,
    상기 제 1 멤브레인 요소의 편향 및 상기 제 2 멤브레인 요소의 편향에 의해 생성된 신호를 판독하는 판독 회로를 더 포함하는
    MEMS 디바이스.
  42. 제 41 항에 있어서,
    상기 제 1 멤브레인 요소의 상기 제 2 부분 및 상기 제 2 멤브레인 요소의 상기 제 2 부분은 상기 대향 전극 구조체의 상기 제 1 전도성 층에 전기적으로 연결된
    MEMS 디바이스.
  43. 제 30 항에 있어서,
    상기 제 1 멤브레인 요소의 상기 제 1 부분을 제 1 전압(V1)으로 바이어싱하는 제 1 전압원,
    상기 제 2 멤브레인 요소의 상기 제 1 부분을 제 2 전압(V2)으로 바이어싱하는 제 2 전압원, 및
    상기 제 1 멤브레인 요소의 편향 및 상기 제 2 멤브레인 요소의 편향에 의해 생성된 신호를 판독하는 판독 회로를 더 포함하는
    MEMS 디바이스.
  44. 제 43 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 멤브레인 요소는 전기적으로 연결되지 않고, 상기 제 1 전압(V1)과 상기 제 2 전압(V2)은 상이한
    MEMS 디바이스.
  45. 제 43 항에 있어서,
    상기 제 1 멤브레인 요소의 상기 제 2 부분 및 상기 제 2 멤브레인 요소의 상기 제 2 부분은 상기 대향 전극 구조체의 상기 제 1 전도성 층에 전기적으로 연결된
    MEMS 디바이스.
  46. MEMS 디바이스를 판독하는 방법으로서,
    상기 MEMS 디바이스는
    제 1 멤브레인 요소와,
    상기 제 1 멤브레인 요소로부터 이격된 제 2 멤브레인 요소와,
    상기 제 1 및 제 2 멤브레인 요소 사이의 저압 구역 - 상기 저압 구역은 대기압보다 낮은 압력을 가짐 - 과,
    적어도 부분적으로 상기 저압 구역 내에 배열되거나 상기 저압 구역 내에서 연장되는 전도성 층을 포함하는 대향 전극 구조체(counter electrode structure) - 상기 전도성 층은 상기 전도성 층의 제 1 부분과 상기 전도성 층의 제 2 부분 사이에 전기적인 분리(electrical isolation)를 제공하는 분할부를 포함함 - 를 포함고,
    상기 방법은
    상기 제 1 멤브레인 요소의 편향 및 상기 제 2 멤브레인 요소의 편향에 의해 생성된 신호를 제공하는 단계를 포함하는
    MEMS 디바이스 판독 방법.

  47. 제 46 항에 있어서,
    상기 대향 전극 구조체의 상기 전도성 층의 상기 제 1 부분을 제 1 전압(V1)으로 바이어싱하는 단계와,
    상기 신호를 판독하는 단계를 더 포함하는
    MEMS 디바이스 판독 방법.
  48. 제 47 항에 있어서,
    상기 전도성 층은 제 1 전도성 층 및 제 2 전도성 층을 포함하고,
    상기 방법은
    상기 제 1 전도성 층의 제 1 부분을 제 1 전압(V1)으로 바이어싱하는 단계와,
    상기 제 2 전도성 층의 제 1 부분을 제 2 전압(V2)으로 바이어싱하는 단계와,
    상기 신호를 판독하는 단계를 더 포함하는
    MEMS 디바이스 판독 방법.
  49. 제 48 항에 있어서,
    상기 제 1 전도성 층의 상기 제 1 부분과 상기 제 2 전도성 층의 상기 제 1 부분은 전기적으로 연결되지 않고, 상기 제 1 전압(V1)과 상기 제 2 전압(V2)은 상이한
    MEMS 디바이스 판독 방법.
  50. 제 48 항에 있어서,
    상기 제 1 전도성 층의 제 2 부분과 상기 제 2 전도성 층의 제 2 부분은 상기 제 1 및 제 2 멤브레인 요소에 전기적으로 연결된
    MEMS 디바이스 판독 방법.
  51. 제 46 항에 있어서,
    상기 제 1 멤브레인 요소 및 상기 제 2 멤브레인 요소를 기준 전위로 바이어싱하는 단계와,
    상기 신호를 판독하는 단계를 더 포함하는
    MEMS 디바이스 판독 방법.
  52. 제 46 항에 있어서,
    상기 제 1 멤브레인 요소를 제 1 전압(V1)으로 바이어싱하는 단계와,
    상기 제 2 멤브레인 요소를 제 2 전압(V2)으로 바이어싱하는 단계와,
    상기 신호를 판독하는 단계를 더 포함하는
    MEMS 디바이스 판독 방법.
  53. MEMS 디바이스를 판독하는 방법으로서,
    상기 MEMS 디바이스는
    제 1 멤브레인 요소와,
    상기 제 1 멤브레인 요소로부터 이격된 제 2 멤브레인 요소와,
    상기 제 1 및 제 2 멤브레인 요소 사이의 저압 구역 - 상기 저압 구역은 대기압보다 낮은 압력을 가짐 - 과,
    적어도 부분적으로 상기 저압 구역 내에 배열되거나 상기 저압 구역 내에서 연장되는 제 1 전도성 층을 포함하는 대향 전극 구조체(counter electrode structure)를 포함하되,
    상기 제 1 멤브레인 요소는 상기 제 1 멤브레인 요소의 제 1 부분과 상기 제 1 멤브레인 요소의 제 2 부분 사이에 전기적인 분리(electrical isolation)를 제공하는 분할부를 포함하고, 상기 제 2 멤브레인 요소는 상기 제 2 멤브레인 요소의 제 1 부분과 상기 제 2 멤브레인 요소의 제 2 부분 사이에 전기적인 분리를 제공하는 추가의 분할부를 포함하고,
    상기 방법은
    상기 제 1 멤브레인 요소의 편향 및 상기 제 2 멤브레인 요소의 편향에 의해 생성된 신호를 제공하는 단계를 포함하는
    MEMS 디바이스 판독 방법.
  54. 제 53 항에 있어서,
    상기 대향 전극 구조체의 상기 제 1 전도성 층을 기준 전압(Vref)으로 바이어싱하는 단계와,
    상기 신호를 판독하는 단계를 더 포함하는
    MEMS 디바이스 판독 방법.
  55. 제 53 항에 있어서,
    상기 제 1 멤브레인 요소의 상기 제 2 부분과 상기 제 2 멤브레인 요소의 상기 제 2 부분은 상기 대향 전극 구조체의 상기 제 1 전도성 층에 전기적으로 연결된
    MEMS 디바이스 판독 방법.
  56. 제 53 항에 있어서,
    상기 대향 전극 구조체는 상기 제 1 전도성 층과 전기적으로 분리된 제 2 전도성 층을 더 포함하고,
    상기 방법은
    상기 제 1 전도성 층을 제 1 전압(V1)으로 바이어싱하는 단계와,
    상기 제 2 전도성 층을 제 2 전압(V2)으로 바이어싱하는 단계와,
    상기 신호를 판독하는 단계를 더 포함하는
    MEMS 디바이스 판독 방법.
  57. 제 56 항에 있어서,
    상기 제 1 멤브레인 요소의 상기 제 1 부분과 상기 제 2 멤브레인 요소의 상기 제 1 부분은 전기적으로 연결되지 않고, 상기 제 1 전압(V1)과 상기 제 2 전압(V2)은 상이한
    MEMS 디바이스 판독 방법.
  58. 제 56 항에 있어서,
    상기 제 1 멤브레인 요소의 상기 제 2 부분은 상기 대향 전극 구조체의 상기 1 전도성 층에 전기적으로 연결되고 상기 제 2 멤브레인 요소의 상기 제 2 부분은 상기 대향 전극 구조체의 상기 제 2 전도성 층에 전기적으로 연결된
    MEMS 디바이스 판독 방법.
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